JP2016079046A - Additive for geopolymer and geopolymer hardening body - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an additive for geopolymer capable of improving workability (adjustment of setting time) of a geopolymer containing an active filler with CaO high content such as a blast furnace slag fine particles for example as an aluminosilicate source and providing a cured body excellent in further appearance without damaging flowability and strength development.SOLUTION: There is provided an additive for geopolymer consisting of a composition containing one or more kind of salt of aliphatic oxycarboxylic acid having hydroxyl value of 250 to 1500 mgKOH/g and acid value of 250 to 950 mgKOH/g with mass weighted average value of hydroxyl value/acid value of the aliphatic oxycarboxylic acid of 0.40 or more and less than 5.00.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明はジオポリマー用の添加剤及びジオポリマー硬化体に関するものである。更に詳しくは配合したジオポリマーの凝結時間を適宜に調整できるとともに、硬化体において優れた強度発現性を有し、更にジオポリマー硬化体の表面美観向上にも優れる、ジオポリマー用添加剤に関するものである。   The present invention relates to an additive for geopolymer and a cured geopolymer. More specifically, it relates to an additive for geopolymer that can adjust the setting time of the blended geopolymer appropriately, has excellent strength development in the cured product, and is also excellent in improving the surface appearance of the cured geopolymer. is there.

コンクリートは、建設材料の一つとして使用され、その生産量が膨大なものである。コンクリートの主原料であるセメントの世界総生産量は28.4億トンである(2008年)。セメントの製造においては、石灰石の化学分解と熱エネルギーの使用によって、大量の二酸化炭素が排出されている。日本では1トンのセメントを製造すると、0.725トンの二酸化炭素が発生し、セメント産業の二酸化炭素排出量は全国の総排出量の4%を占める(2008年)。したがって、コンクリートの製造においてセメントの使用量を削減することは、地球温暖化問題の解決および持続可能な社会の構築に対して、極めて重要な取り組みであるといえる。
日本国内産業において、製鉄工場、石炭火力発電所および都市ごみ焼却処分場からは、日々大量に廃棄物が排出されている。それぞれ高炉スラグ、フライアッシュ(以下、FAとも称する)および都市ごみ焼却灰と呼ばれるものであり、これら廃棄物の一部はリサイクルされているが、セメントの原料としての利用が圧倒的に多く、それ故セメント分野以外の大量有効活用は喫緊の課題である。また、日本国内を見渡してみると、これら廃棄物の最終処分場を確保することは、極めて厳しい状況にある。
Concrete is used as a construction material, and its production volume is enormous. The total global production of cement, the main raw material for concrete, is 2.84 billion tons (2008). In cement production, large amounts of carbon dioxide are emitted by chemical decomposition of limestone and the use of thermal energy. If 1 ton of cement is produced in Japan, 0.725 ton of carbon dioxide is generated, and the carbon dioxide emissions of the cement industry account for 4% of the total nationwide emissions (2008). Therefore, it can be said that reducing the amount of cement used in the production of concrete is an extremely important approach to solving the global warming problem and building a sustainable society.
In Japanese industry, a large amount of waste is discharged daily from steel mills, coal-fired power plants and municipal waste incineration sites. These are called blast furnace slag, fly ash (hereinafter also referred to as FA), and municipal waste incineration ash, and some of these wastes are recycled, but they are overwhelmingly used as raw materials for cement. Mass effective utilization outside the cement field is an urgent issue. Looking over Japan, it is extremely difficult to secure a final disposal site for these wastes.

ところでフランスのDavidovitsによって1978年に提唱されたジオポリマー(以下、GPとも称する)は、メタカオリン等の活性フィラー(アルミノシリケート源)がアルカリシリカ溶液(アルカリ源)で刺激されることによって硬化し、セメントを使用せずに硬化体を作製できる無機材料である。セメントは、建設分野で使用する資材の製造時のCO排出量全体の約6割を占めるため、これを使用せずに済むGPは、通常のコンクリートに比べ、CO排出量を80〜90%程度低減することができ(非特許文献1)、環境負荷軽減につながる材料として注目されている。
GPを構成する活性フィラーは、GPの硬化に必要な陽イオンの供給源となるため、構成元素としてSiとAlを多く含むものであることが望ましく、天然物であればメタカオリンなどが使用される。また、活性フィラーとしてフライアッシュ(以下、FAとも称する)や高炉スラグ微粉末(以下、BFSとも称する)、都市ごみ焼却灰溶融スラグ微粉末、下水汚泥溶融スラグ微粉末といった産業副産物も使用することができる。このためGPは、廃棄物の有効活用の観点からも、重要な技術と位置づけられる。
By the way, the geopolymer (hereinafter also referred to as GP) proposed in 1978 by Davidovites of France hardens when an active filler (aluminosilicate source) such as metakaolin is stimulated with an alkali silica solution (alkaline source), and cement. It is an inorganic material that can produce a cured body without using the. Cement accounts for about 60% of the total amount of CO 2 emitted during the production of materials used in the construction field. Therefore, GP that does not need to use this has a CO 2 emission of 80 to 90 compared to ordinary concrete. % (Non-Patent Document 1), and is attracting attention as a material that leads to reduction of environmental burden.
Since the active filler constituting the GP serves as a supply source of a cation necessary for curing the GP, it is desirable that the active filler contains a large amount of Si and Al as constituent elements. For natural products, metakaolin or the like is used. In addition, industrial by-products such as fly ash (hereinafter also referred to as FA), blast furnace slag fine powder (hereinafter also referred to as BFS), municipal waste incineration ash molten slag fine powder, and sewage sludge molten slag fine powder may be used as active fillers. it can. For this reason, GP is positioned as an important technology from the viewpoint of effective utilization of waste.

GPは一般的なセメントコンクリートと比較して、圧縮強度の発現が非常に早く、さらに耐火性、アルカリ骨材反応抵抗性、耐硫酸塩抵抗性も兼ね備えており、重金属を固定できる等の特徴を有する。GPの硬化反応は、上述の活性フィラー由来の陽イオンとアルカリシリカ溶液由来のケイ酸化合物による重縮合により進行するものであるとされる(特許文献1)が、そのメカニズム等の詳細は未だ明らかになっていない。   Compared with general cement concrete, GP is very fast in compressive strength, and also has fire resistance, alkali-aggregate reaction resistance, and sulfate resistance resistance. Have. The GP curing reaction is said to proceed by polycondensation with the above-mentioned cation derived from the active filler and a silicic acid compound derived from an alkali silica solution (Patent Document 1), but details of the mechanism and the like are still clear. It is not.

これまでジオポリマーにおける活性フィラーとしてFAとBFSを採用した例が多く検討されている。活性フィラーのなかでも、酸化カルシウム(CaO)の含有量が比較的少ないFAを単独で使用したGPは、凝結・硬化時間が長く(例えば常温養生の場合、1日以上)、作業性は良いものの強度発現性に乏しい。例えば30℃以下の常温養生のGPコンクリートの圧縮強度は45MPa以下(非特許文献2)であり、25℃養生したGPモ
ルタルの3ヶ月での圧縮強度は15MPaにとどまる(非特許文献3)点が報告されている。一方、BFSを活性フィラーとしたGPは、強度発現性に非常に優れ、20℃の常温養生でも28日での圧縮強度が100MPa以上となるが、常温下の凝結時間は10〜40分ほどで極めて短く、その作業性は悪い。このため、GPの強度発現性や緻密性を高める目的で、BFSとFAを混合使用する検討例がいくつか報告されている(例えば、非特許文献3及び非特許文献4)。
Many examples of employing FA and BFS as active fillers in geopolymers have been studied so far. Among active fillers, GP that uses FA with a relatively low content of calcium oxide (CaO) alone has a long setting / setting time (for example, 1 day or more in normal temperature curing), and has good workability. Poor strength development. For example, the compressive strength of GP concrete cured at room temperature below 30 ° C. is 45 MPa or less (Non-patent Document 2), and the compressive strength of GP mortar cured at 25 ° C. in 3 months is only 15 MPa (Non-patent Document 3). It has been reported. On the other hand, GP using BFS as an active filler is very excellent in strength development, and the compressive strength in 28 days even at room temperature curing at 20 ° C. is 100 MPa or more, but the setting time at room temperature is about 10 to 40 minutes. It is very short and its workability is bad. For this reason, some examination examples using BFS and FA mixedly are reported for the purpose of improving the strength development property and denseness of GP (for example, Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4).

またGPの圧縮強度と凝結時間を適切かつ同時にコントロールする技術を開発することを目指し、混和材の使用によるGP組成物の凝結時間調整方法が検討されている(特許文献2)。例えば、糖類、酸、およびキレート剤を用いたGPの凝結時間の調節方法が提案されている。
その他、ジオポリマー質複合体超高性能コンクリート配合物における流動化剤の使用(特許文献3)や、ジオポリマー反応を利用した硬化型耐火性パテ組成物中に、平均粒径が10〜300nmの合成ゴムラテックスを配合する例(特許文献4)などの提案もなされている。
さらに、ショ糖またはクエン酸を添加したフライアッシュベースのジオポリマーモルタルの凝結時間と圧縮強度の変化についての実験的考察が報告されている(非特許文献5)。また、アルカリシリカ溶液に用いる金属水酸化物として水酸化カリウムを使用し、水酸化カリウムの濃度とアルカリシリカ溶液のSiO/KOのモル比等を調整することで、BFSを用いたGPの凝結時間を延長できることが指摘されている(非特許文献6)。
In addition, with the aim of developing a technique for appropriately and simultaneously controlling the compressive strength and setting time of GP, a method for adjusting the setting time of a GP composition by using an admixture has been studied (Patent Document 2). For example, a method for adjusting the setting time of GP using sugars, acids, and chelating agents has been proposed.
In addition, in the use of a fluidizing agent in a geopolymer composite ultra-high performance concrete compound (Patent Document 3) and a curable refractory putty composition utilizing a geopolymer reaction, the average particle size is 10 to 300 nm. An example of blending synthetic rubber latex (Patent Document 4) has also been proposed.
Furthermore, an experimental study on changes in setting time and compressive strength of fly ash-based geopolymer mortar added with sucrose or citric acid has been reported (Non-Patent Document 5). In addition, by using potassium hydroxide as the metal hydroxide used for the alkali silica solution, and adjusting the concentration of potassium hydroxide and the molar ratio of SiO 2 / K 2 O of the alkali silica solution, GP using BFS is used. It has been pointed out that the setting time can be extended (Non-patent Document 6).

特開2012−240852号公報JP 2012-240852 A 特開2014−28726号公報JP 2014-28726 A 特表2013−545714号公報Special table 2013-545714 gazette 特開2013−60543号公報JP 2013-60543 A

J.Davidovits, Properties of geopolymer cements, Proceedings of 1st International Conference on Alaline Cements and Concrete, KIEV, Ukraine, pp.131-149, 1994J. et al. Davidovits, Properties of geopolymer cements, Proceedings of 1st International Conference on Alaline Cements and Concrete, KIEV, Ukraine, pp. 131-149, 1994 D. Hardjitoand B.V. Ranga, Development and properties of low-calcium fly ash-based geopolymer concrete, Research Report, Curtin University of Technology, pp 48-49, 2005D. Hardjitoand B.V.Ranga, Development and properties of low-calcium fly ash-based geopolymer concrete, Research Report, Curtin University of Technology, pp 48-49, 2005 F. Puetras et al., Alkali-activated fly ash/slag cement strength behavior and hydration products, Cement and Concrete Research, Vol. 30, 1625-1632, 2000F. Puetras et al., Alkali-activated fly ash / slag cement strength behavior and hydration products, Cement and Concrete Research, Vol. 30, 1625-1632, 2000 一宮一夫ほか,フライアッシュベースのジオポリマーの配合ならびに高温抵抗性,コンクリート工学年次論文集,Vol.36,No.1,2014Kazuo Ichinomiya et al., Fly ash-based geopolymer formulation and high temperature resistance, concrete engineering annual papers, Vol. 36, no. 1,2014 Andri Kusbiantoro, et al., Development of sucrose and citric acid as the natural based admixture for fly ash based geopolymer, Proceedings of 3rd International Conference on Sustainable Future for Human Security, 2012Andri Kusbiantoro, et al., Development of sucrose and citric acid as the natural based admixture for fly ash based geopolymer, Proceedings of 3rd International Conference on Sustainable Future for Human Security, 2012 T.W. Cheng, J.P. Chiu, Fire-resistant geopolymer produced by granulated blast furnace slag, Minerals Engineering, Vol. 16, pp.205-210, 2003T.W.Cheng, J.P. Chiu, Fire-resistant geopolymer produced by granulated blast furnace slag, Minerals Engineering, Vol. 16, pp.205-210, 2003

上述したように、ジオポリマー(GP)は硬化のメカニズムの詳細において未だに不明な点が多く、用いる活性フィラーによって凝結時間と強度は変化する。
例えば、非特許文献3及び非特許文献4に示すようにBFSとFAを混合使用する場合、BFSの混合比率によってGPの凝結時間は変化し、特にBFSの比率を高めた場合に凝結時間は短くなることが報告されている。この結果は、活性フィラー中のCaO含有量がGPの凝結時間と硬化後の強度の両方に大きな影響を与えることを示唆しており、特にBFSなどの高CaO含有の活性フィラーに対して作業性と強度発現性を両立させる技術への要求は高いものの、有効といえる提案はなされていない。
これまでにも凝結時間(作業性)と強度発現性を同時に調整する技術の一例として、前述の特許文献2は、混和材の添加による凝結時間の調整方法が提案されているものの、どのような活性フィラーに対してどのような混和材が凝結時間の遅延に有効であるのか、具体的なデータが示されておらず、これらの関連性が明らかでない。
また、非特許文献5にあっては、凝結始発時間が調整できる点は報告されているものの、FA単独使用のジオポリマーに対し、ショ糖を使用した場合に凝結時間は僅かしか延長しない。非特許文献6では、GPに使用するアルカリ溶液の組成は15モルの水酸化カリウムに限定され、またSiO/KOのモル比を0.9以下に調整しなければならないため、水酸化カリウムの使用量は多くなり、材料コストが嵩むほか、材料設計は複雑になり、凝結時間以外の性能をコントロールすることが難しくなるなどの様々な問題を抱えている。
このように、ジオポリマーにおいて、実用的な作業性を確保するのは勿論、実使用に要求される強度を有させるために、凝結時間と強度の両方を同時に調整できる技術の開発が強く望まれている。
As described above, the geopolymer (GP) still has many unclear points in the details of the curing mechanism, and the setting time and strength vary depending on the active filler used.
For example, as shown in Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4, when BFS and FA are mixed and used, the setting time of GP changes depending on the mixing ratio of BFS, and particularly when the ratio of BFS is increased, the setting time is short. It has been reported that This result suggests that the CaO content in the active filler has a great influence on both the setting time of the GP and the strength after curing, and is particularly workable for active fillers containing high CaO such as BFS. Although there is a high demand for technology that achieves both strength development and strength development, no effective proposal has been made.
As an example of a technique for adjusting the setting time (workability) and strength development at the same time, Patent Document 2 described above has proposed a method for adjusting the setting time by adding an admixture. There is no specific data on what kind of admixture is effective for delaying the setting time with respect to the active filler, and their relationship is not clear.
Further, in Non-Patent Document 5, although it has been reported that the initial setting time can be adjusted, the setting time is only slightly extended when sucrose is used for the geopolymer using FA alone. In Non-Patent Document 6, the composition of the alkaline solution used for GP is limited to 15 moles of potassium hydroxide, and the SiO 2 / K 2 O molar ratio must be adjusted to 0.9 or less. In addition to increasing the amount of potassium used, the material cost increases, the material design is complicated, and it is difficult to control performance other than the setting time.
Thus, in order to ensure practical workability in geopolymers as well as to have the strength required for actual use, it is strongly desired to develop a technology that can adjust both the setting time and strength at the same time. ing.

また本発明者らの検討において、活性フィラーとしてBFSを使用したジオポリマーや、BFSと他の活性フィラーを混合使用したジオポリマーにおいて、これまでセメントコンクリートに使用されてきた有機系添加剤を添加した場合、セメントコンクリートとはその作用発現が大きく異なることが確認された。具体的には、従来公知の化合物(添加剤)を適用した場合に強度発現性を損ない、更に一部の添加剤では強度発現性の損害に加えて硬化体の外観をも損なうという新たな問題を確認した。
こうした種々の課題を踏まえ、本発明は、高炉スラグ微粉末や都市ごみ焼却灰溶融スラグ微粉末、流動床石炭灰などのCaO含有量が高い活性フィラーを含むジオポリマーの凝結時間を調整でき、硬化前の流動性と硬化体の強度発現性を大きく損なうことなく、さらに外観に優れる硬化体を得られるジオポリマー用添加剤の提供を課題とするものである。
In addition, in the study by the present inventors, in a geopolymer using BFS as an active filler or a geopolymer using a mixture of BFS and another active filler, an organic additive that has been used in cement concrete has been added. In this case, it was confirmed that the action expression was significantly different from that of cement concrete. Specifically, when a conventionally known compound (additive) is applied, the strength developability is impaired, and in addition, some additives may damage the appearance of the cured product in addition to the strength manifestation damage. It was confirmed.
Based on these various problems, the present invention can adjust the setting time of a geopolymer containing an active filler having a high CaO content such as blast furnace slag fine powder, municipal waste incineration ash molten slag fine powder, fluidized bed coal ash, etc. It is an object of the present invention to provide an additive for a geopolymer that can obtain a cured product that is further excellent in appearance without significantly impairing the previous fluidity and strength development of the cured product.

本発明者らが検討した結果、ジオポリマーに対して1種以上の脂肪族オキシカルボン酸系化合物からなる添加剤を用いることにより、強度発現性を損なうことなく作業性を改善し、同時に表面美観効果をも得られることを見出した。   As a result of investigations by the present inventors, by using an additive comprising one or more aliphatic oxycarboxylic acid compounds for the geopolymer, workability is improved without impairing strength development, and at the same time, surface aesthetics. It was found that an effect can also be obtained.

すなわち、本発明は、水酸基価が250〜1500mgKOH/g、かつ酸価が250〜950mgKOH/gである1種以上の脂肪族オキシカルボン酸の塩を含む組成物からなるジオポリマー用添加剤であって、前記脂肪族オキシカルボン酸の水酸基価/酸価の質量加重平均値が0.40以上5.00未満である、ジオポリマー用添加剤に関する。
本発明のジオポリマー用添加剤において、前記脂肪族オキシカルボン酸の塩を含む組成物が、酒石酸塩を含むものであることが好ましい。
また本発明の上記ジオポリマー用添加剤は、CaO含有量が10〜60質量%である少なくとも一種のアルミノシリケート源(例えば高炉スラグ、都市ごみ焼却灰スラグ、下水汚泥焼却灰スラグおよび流動床石炭灰のうち少なくとも一種)、並びに、アルカリ金属水酸化物、アルカリ金属炭酸塩及びアルカリ金属ケイ酸塩からなる群から選択される少なくとも一種のアルカリ源を含む混合物より形成されるジオポリマーに適用されることが好ましい。
That is, the present invention is a geopolymer additive comprising a composition containing a salt of one or more aliphatic oxycarboxylic acids having a hydroxyl value of 250 to 1500 mg KOH / g and an acid value of 250 to 950 mg KOH / g. In addition, the present invention relates to an additive for geopolymer, wherein the weight-weighted average value of hydroxyl value / acid value of the aliphatic oxycarboxylic acid is 0.40 or more and less than 5.00.
In the additive for geopolymer of the present invention, the composition containing the salt of the aliphatic oxycarboxylic acid preferably contains a tartrate salt.
Further, the additive for geopolymer of the present invention contains at least one aluminosilicate source (for example, blast furnace slag, municipal waste incineration ash slag, sewage sludge incineration ash slag, and fluidized bed coal ash having a CaO content of 10 to 60% by mass. And a geopolymer formed from a mixture comprising at least one alkali source selected from the group consisting of alkali metal hydroxides, alkali metal carbonates and alkali metal silicates. Is preferred.

また本発明は、前記ジオポリマー用添加剤、CaO含有量が10〜60質量%である少なくとも一種のアルミノシリケート源、アルカリ金属水酸化物、アルカリ金属炭酸塩及びアルカリ金属ケイ酸塩からなる群から選択される少なくとも一種のアルカリ源、及び骨材を含む、ジオポリマー組成物も対象とする。   The present invention also includes the additive for geopolymer, at least one aluminosilicate source having a CaO content of 10 to 60% by mass, an alkali metal hydroxide, an alkali metal carbonate, and an alkali metal silicate. Also contemplated are geopolymer compositions comprising at least one selected alkali source and aggregate.

さらに本発明は、前記ジオポリマー用添加剤を前記アルミノシリケート源と前記アルカリ源を含む混合物より形成されるジオポリマーに適用して得られるジオポリマー硬化体も対象とする。   Furthermore, the present invention is also directed to a cured geopolymer obtained by applying the additive for geopolymer to a geopolymer formed from a mixture containing the aluminosilicate source and the alkali source.

本発明のジオポリマー添加剤は、ジオポリマーの凝結時間を調整できるとともに、硬化体の強度発現性を損なうことなく、硬化前の作業性を改善し、同時に硬化体の表面の美観に優れる、ジオポリマー硬化体を得ることができる。   The geopolymer additive of the present invention can adjust the setting time of the geopolymer, improves the workability before curing without impairing the strength development of the cured body, and at the same time has an excellent aesthetics on the surface of the cured body. A polymer cured body can be obtained.

[ジオポリマー用添加剤]
前述したように、ジオポリマーにおいて凝結時間の調整と硬化体の強度発現性を両立させるべくこれまで提案された技術において、種々の課題が残されている。例えば特許文献2に示す混和材による凝結時間の調整方法では、その調整結果を示す模式図によると、アルカリ活性剤としてNa系アルカリ溶液を用いたGPにおいて、キレート剤及び不活性フィラーに該当する炭酸カルシウム(CaCO)で構成される混和材の混合率(活性フィラーを置換する比率)の増加によってGPの凝結時間は急激に短縮する。そして30%置換の場合には凝結時間が15分に短縮されてしまい、混和材の添加による凝結の遅延効果があるとは言い難いものとなっている。また本発明者は、特許文献2に提案されている第三の混和材のうち、グルコン酸ナトリウム等のオキシカルボン酸塩類をGPに利用した実験を行い、一部の混和材は遅延効果がみられず、遅延効果があっても硬化体の強度発現性または外観を損なう問題を発見した。
本発明は、特定の水酸基価と酸価を有する1種以上の脂肪族オキシカルボン酸の塩を含む組成物であり、且つ、該脂肪族オキシカルボン酸の水酸基価/酸価を特定の数値範囲とするという構成を採用することにより、凝結時間の調整と硬化体の強度発現性の両立のみならず、硬化体の外観を良好なものとなることを見出しなされたものである。
以下、本発明について詳述する。
[Additives for geopolymers]
As described above, various problems remain in the technologies that have been proposed so far in order to achieve both adjustment of the setting time and strength development of the cured product in the geopolymer. For example, in the method for adjusting the setting time with the admixture shown in Patent Document 2, according to the schematic diagram showing the adjustment result, in the GP using a Na-based alkaline solution as the alkali activator, carbonic acid corresponding to the chelating agent and the inert filler With the increase in the mixing ratio of the admixture composed of calcium (CaCO 3 ) (the ratio of replacing the active filler), the setting time of GP is rapidly shortened. In the case of 30% substitution, the setting time is shortened to 15 minutes, and it is difficult to say that there is a setting delay effect due to the addition of the admixture. In addition, the present inventor conducted an experiment using, among the third admixtures proposed in Patent Document 2, oxycarboxylates such as sodium gluconate for GP, and some admixtures have a delay effect. In spite of this, a problem has been found that even if there is a delay effect, the strength development or appearance of the cured product is impaired.
The present invention is a composition comprising a salt of one or more aliphatic oxycarboxylic acids having a specific hydroxyl value and an acid value, and the hydroxyl value / acid value of the aliphatic oxycarboxylic acid is in a specific numerical range. By adopting the configuration, it has been found that not only the setting of the setting time and the strength development of the cured product are compatible, but also the appearance of the cured product is improved.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明において、上記脂肪族オキシカルボン酸としては、水酸基価が250〜1500mgKOH/g、かつ酸価が250〜950mgKOH/gであり、またその水酸基価と酸価の比である水酸基価/酸価が0.40以上5.00未満であるものを使用する。上記水酸基価/酸価は、好ましくは0.50以上4.00以下であり、より好ましくは1.00以上4.00以下であることが望ましい。
なお、脂肪族オキシカルボン酸を2種以上使用する場合、上記水酸基価と酸価の比は、使用する複数の脂肪族オキシカルボン酸の質量荷重平均した水酸基価/同質量荷重平均した酸価として算出される。また、複数種を組み合わせて使用した場合に質量荷重平均した水酸基価/酸価の値が上記数値範囲内(0.40以上5.00未満)にあるものであれば、脂肪族オキシカルボン酸1種のみでは上記水酸基価と酸価の比が上記数値範囲を外れるものであっても使用することができる。
In the present invention, the aliphatic oxycarboxylic acid has a hydroxyl value of 250 to 1500 mg KOH / g, an acid value of 250 to 950 mg KOH / g, and a hydroxyl value / acid value which is a ratio of the hydroxyl value to the acid value. Is 0.44 or more and less than 5.00. The hydroxyl value / acid value is preferably 0.50 or more and 4.00 or less, and more preferably 1.00 or more and 4.00 or less.
In addition, when using 2 or more types of aliphatic oxycarboxylic acid, the ratio of the said hydroxyl value and an acid value is the hydroxyl value which carried out the mass load average of the several aliphatic oxycarboxylic acid to be used / the acid value which carried out the mass load average. Calculated. In addition, when a combination of a plurality of types is used and the weight value averaged hydroxyl value / acid value is within the above numerical range (0.40 or more and less than 5.00), the aliphatic oxycarboxylic acid 1 The seed alone can be used even if the ratio between the hydroxyl value and the acid value is out of the numerical range.

上記脂肪族オキシカルボン酸としては、グリコール酸、乳酸、タルトロン酸、グリセリン酸、2−ヒドロキシ酪酸、γ−ヒドロキシ酪酸、3−ヒドロキシ酪酸、酒石酸、リンゴ酸、クエン酸、イソクエン酸、メバロン酸、パントイン酸、グルコン酸、キナ酸、シキミ酸等の脂肪族又は脂環式オキシカルボン酸が挙げられる。これら脂肪族オキシカルボン酸は一種を単独で、あるいは二種以上を組み合わせて用いることができる。   Examples of the aliphatic oxycarboxylic acid include glycolic acid, lactic acid, tartronic acid, glyceric acid, 2-hydroxybutyric acid, γ-hydroxybutyric acid, 3-hydroxybutyric acid, tartaric acid, malic acid, citric acid, isocitric acid, mevalonic acid, pantoin Aliphatic or alicyclic oxycarboxylic acids such as acid, gluconic acid, quinic acid and shikimic acid can be mentioned. These aliphatic oxycarboxylic acids can be used singly or in combination of two or more.

中でも、好ましい脂肪族オキシカルボン酸としては、乳酸、リンゴ酸、酒石酸、クエン酸、グルコン酸が挙げられ、さらに酒石酸が好ましく、その中でも入手が容易なL−酒石酸が最も好ましい。
また二種以上を組み合わせて使用する場合には、少なくとも一方を酒石酸又はグルコン酸とすることにより、硬化体の外観における白華の発生を抑制でき、好ましい表面外観を得られるために好ましい。中でも好ましい組み合わせとしては、例えば酒石酸とリンゴ酸、酒石酸とグルコン酸、クエン酸とグルコン酸等が挙げられる。これらの二種以上の組み合わせの中でも、一方を酒石酸とすることが最も好ましい形態として挙げられる。
Among these, preferable aliphatic oxycarboxylic acids include lactic acid, malic acid, tartaric acid, citric acid, and gluconic acid. Tartaric acid is more preferable, and L-tartaric acid, which is easily available, is most preferable.
Moreover, when using in combination of 2 or more types, by making at least one into tartaric acid or gluconic acid, generation | occurrence | production of the white flower in the external appearance of a hardening body can be suppressed and it is preferable since the preferable surface external appearance can be obtained. Among them, preferable combinations include tartaric acid and malic acid, tartaric acid and gluconic acid, citric acid and gluconic acid, and the like. Among these two or more combinations, it is most preferable that one is tartaric acid.

またこれら脂肪族オキシカルボン酸の塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩が挙げられ、好ましくはナトリウム塩である。   Examples of the salts of these aliphatic oxycarboxylic acids include alkali metal salts such as lithium salts, sodium salts and potassium salts, with sodium salts being preferred.

[ジオポリマー]
本発明の上記添加剤を適用するジオポリマーは、前述したように、活性フィラー等のアルミノシリケート源とアルカリシリカ溶液等のアルカリ源を含む混合物より構成される。
[Geopolymer]
As described above, the geopolymer to which the additive of the present invention is applied is composed of a mixture containing an aluminosilicate source such as an active filler and an alkali source such as an alkali silica solution.

<アルミノシリケート源:活性フィラー>
上記アルミノシリケート源とは、アルミノシリケート(xMO・yAl・zSiO・nHO、Mはアルカリ金属)を成分として含有する成分を指し、高アルカリ性溶液(アルカリシリカ溶液)との接触により、アルミニウムやケイ素等の陽イオンを溶出し、それらの供給源となる作用を有する。
アルミノシリケート源の好適な例として、1)フライアッシュ、クリンカアッシュ、流動床石炭灰、高炉スラグ微粉末、都市ごみ焼却灰溶融スラグ微粉末、赤泥、シリカフューム、籾殻灰、および下水汚泥焼却灰溶融スラグ微粉末などの産業廃棄物、2)メタカオリンなどの天然アルミノシリケート鉱物および粘土とその焼物、3)火山灰などを挙げることが出来る。
これらのうち、上記1)の産業廃棄物は、他のアルミノシリケート源と比較して、産地制限がなく、かつ産業廃棄物資源の有効利用にもつながり、特に好適である。
本発明では、上記アルミノシリケート源として、CaO含有量が10〜60質量%であるものを少なくとも一種用いることが好ましく、このようにCaO含有量の高いアルミノシリケート源としては、例えば、高炉スラグ微粉末、都市ごみ焼却灰スラグ微粉末、下水汚泥焼却灰スラグ微粉末、CaOに富む流動床石炭灰等が挙げられる。本発明においては、中でも上記CaO含有量の高いアルミノシリケート源の少なくとも一種とフライアッシュを混合使用すること、特に高炉スラグ微粉末とフライアッシュを混合使用することが好適である。
<Aluminosilicate source: active filler>
The aluminosilicate source refers to a component containing aluminosilicate (xM 2 O.yAl 2 O 3 .zSiO 2 .nH 2 O, M is an alkali metal) as a component, and a highly alkaline solution (alkaline silica solution) By contact, cations such as aluminum and silicon are eluted and have a function as a supply source thereof.
As suitable examples of aluminosilicate sources, 1) fly ash, clinker ash, fluidized bed coal ash, blast furnace slag fine powder, municipal waste incineration ash melt slag fine powder, red mud, silica fume, rice husk ash, and sewage sludge incineration ash melt Industrial waste such as slag fine powder, 2) natural aluminosilicate minerals such as metakaolin, and clay and its baked goods, and 3) volcanic ash.
Among these, the industrial waste of 1) is particularly suitable because there is no production area limitation and effective use of industrial waste resources as compared with other aluminosilicate sources.
In the present invention, as the aluminosilicate source, it is preferable to use at least one type having a CaO content of 10 to 60% by mass. As such an aluminosilicate source having a high CaO content, for example, blast furnace slag fine powder And municipal waste incineration ash slag fine powder, sewage sludge incineration ash slag fine powder, fluidized bed coal ash rich in CaO, and the like. In the present invention, it is particularly preferable to use fly ash in combination with at least one of the above-mentioned aluminosilicate sources having a high CaO content, and particularly to use blast furnace slag fine powder and fly ash in combination.

高炉スラグ微粉末は、高炉で鉄を精製する際に副生する残渣で、酸化カルシウム(CaO)、シリカ(SiO)、アルミナ(Al)を主成分とし、JIS A6206に規格されている。特に使用する高炉スラグ微粉末は、CaOの割合が30〜60質量%の範囲にあるものが好ましい。
また都市ごみ焼却灰スラグは、都市ごみを焼却処理する際に生じた灰を高温で溶融・冷却して得られるものであり、高炉スラグ同様、ケイ素、アルミニウムおよびカルシウムなどの酸化物が主成分である。CaOの割合が15〜45質量%の範囲にあるものが好ましく用いられる。
流動床石炭灰は、加圧流動床石炭ボイラーから発生した灰である。炉内で脱硫する目的で石灰石微粉末を混和して石炭を燃焼させるため、後述するフライアッシュとクリンカアッシュに比べCaOを多く含有することが特徴である。流動床石炭灰は現在のコンクリート混和材用フライアッシュのJIS規格(JIS A 6201)を満足するものではないが、アルカリシリケート源として用いることが可能である。CaOの含有率は、灰の発
生場所によって異なるが、20〜55質量%である。
なお、下水汚泥焼却灰溶融スラグは、下水の処理によって発生する汚泥を濃縮・脱水した後、800℃程度で焼却した灰をさらに高温で溶融・冷却して得られるものである。脱水時に添加する凝集剤の種類によって下水汚泥焼却灰は分類され、すなわち、消石灰、塩化第二鉄を添加した石灰系焼却灰と、高分子凝集剤を添加した高分子系焼却灰に分類される。石灰系焼却灰のCaOの含有率は、脱水時の消石灰の添加率により異なるが、一般的に30〜50質量%程度である。一方、高分子系焼却灰のCaOの含有率は10質量%程度以下である。従って、本発明に使用するアルミノシリケート源としては、石灰系焼却灰によるスラグを用いることが好ましい。
Blast furnace slag fine powder is a residue produced as a by-product when refining iron in the blast furnace, and is mainly composed of calcium oxide (CaO), silica (SiO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ), and is standardized in JIS A6206. Yes. In particular, the blast furnace slag fine powder to be used preferably has a CaO ratio in the range of 30 to 60% by mass.
Municipal waste incineration ash slag is obtained by melting and cooling ash generated during incineration of municipal waste at a high temperature. Like blast furnace slag, oxides such as silicon, aluminum and calcium are the main components. is there. What has the ratio of CaO in the range of 15-45 mass% is used preferably.
Fluidized bed coal ash is ash generated from a pressurized fluidized bed coal boiler. For the purpose of desulfurization in the furnace, coal is burned by mixing fine limestone powder, and therefore, it is characterized by containing a larger amount of CaO than fly ash and clinker ash described later. Although fluidized bed coal ash does not satisfy the present JIS standard (JIS A 6201) of fly ash for concrete admixtures, it can be used as an alkali silicate source. The CaO content is 20 to 55% by mass, although it varies depending on the location where ash is generated.
The sewage sludge incinerated ash melt slag is obtained by concentrating and dewatering sludge generated by sewage treatment, and then melting and cooling the ash incinerated at about 800 ° C. at a higher temperature. Sewage sludge incineration ash is classified according to the type of flocculant added at the time of dehydration, that is, it is classified into lime-based incineration ash to which slaked lime and ferric chloride are added and polymer incineration ash to which polymer flocculant is added. . Although the CaO content of lime-based incinerated ash varies depending on the addition rate of slaked lime during dehydration, it is generally about 30 to 50% by mass. On the other hand, the CaO content of the polymer incineration ash is about 10% by mass or less. Therefore, as the aluminosilicate source used in the present invention, it is preferable to use slag by lime-based incinerated ash.

フライアッシュは、シリカ(SiO)、アルミナ(Al)を主成分とし、JIS A 6201において、粒度やフロー値に基づきI〜IV種(JIS A6201−2008)に規格されている。その粒度が細かく反応性に富むJIS I種、II種がジオポリマー原料として特に適している。
またクリンカアッシュは石炭燃焼ボイラー底部で回収される溶結状の石炭灰を粉砕処理したものである。
フライアッシュ、クリンカアッシュともに、シリカ(SiO)、アルミナ(Al)成分が全質量中の70〜80%を占めているため、アルカリシリケート源として有用である。
Fly ash is mainly composed of silica (SiO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ), and is specified in JIS A 6201 as I to IV types (JIS A 6201-2008) based on particle size and flow value. JIS type I and type II, which are fine in particle size and rich in reactivity, are particularly suitable as raw materials for geopolymers.
Clinker ash is obtained by pulverizing welded coal ash collected at the bottom of a coal-fired boiler.
Both fly ash and clinker ash are useful as an alkali silicate source because silica (SiO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ) components account for 70 to 80% of the total mass.

前述したように本発明のジオポリマー添加剤が適用されるジオポリマーは、上記のCaO含有量が10〜60質量%である少なくとも一種のアルミノシリケート源、具体的には、高炉スラグ微粉末、都市ごみ焼却灰スラグ微粉末、下水汚泥焼却灰溶融スラグ微粉末および(CaOに富む)流動床石炭灰の少なくとも一種を、アルミノシリケート源(活性フィラー)として含む。
当該活性フィラー中における上記のCaO含有量の高いアルミノシリケート源の配合割合は活性フィラーの全質量に対して10質量%から100質量%であり、好ましくは30質量%以上である。
2種以上の活性フィラーを用いる場合、活性フィラー全体のうち、CaOが占める割合は、好ましくは10質量%〜60質量%である。上記のCaO含有量が高い微粉末や灰の割合を変更することによってCaOの含有量を調整することができる。
As described above, the geopolymer to which the geopolymer additive of the present invention is applied is at least one aluminosilicate source having a CaO content of 10 to 60% by mass, specifically, blast furnace slag fine powder, urban At least one kind of waste incineration ash slag fine powder, sewage sludge incineration ash molten slag fine powder and fluidized bed coal ash (rich in CaO) is included as an aluminosilicate source (active filler).
The blending ratio of the aluminosilicate source having a high CaO content in the active filler is 10% by mass to 100% by mass, preferably 30% by mass or more, based on the total mass of the active filler.
When using 2 or more types of active fillers, the ratio for which CaO accounts among the whole active fillers becomes like this. Preferably they are 10 mass%-60 mass%. The content of CaO can be adjusted by changing the proportion of fine powder or ash having a high CaO content.

<アルカリ源:アルカリシリカ溶液>
本発明において、アルカリ源とは、高アルカリ性を示す化合物の水溶液を指し、前記アルミノシリケート源と接触することにより、それらを活性化させ、アルミニウム及びケイ素等の陽イオンを溶出させる作用を有する。
アルカリ源に使用する化合物としては、1)水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ水酸化物、2)炭酸ナトリウム、炭酸カリウムなどの炭酸アルカリ塩、3)ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウムなどのアルカリケイ酸塩のほか、これら1)〜3)の組み合わせを好適に用いることが出来る。
<Alkali source: alkali silica solution>
In the present invention, the alkali source refers to an aqueous solution of a compound exhibiting high alkalinity, and has an action of activating cations such as aluminum and silicon by contacting them with the aluminosilicate source.
The compounds used for the alkali source are 1) alkali hydroxides such as sodium hydroxide and potassium hydroxide, 2) alkali carbonates such as sodium carbonate and potassium carbonate, and 3) alkalis such as sodium silicate and potassium silicate. In addition to silicates, combinations of these 1) to 3) can be suitably used.

上記のうち、ナトリウム化合物は価格面においてより好適である。
また3)アルカリケイ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ケイ酸モノマー(Si(OH))の供給源となるため、一層好適である。
これらの観点から、アルカリ供給源の化合物の好ましい例としては、ケイ酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、ケイ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できる。また、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。
したがって、上記アルカリ源としては、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、ケイ酸ナトリウム又はケイ酸カリウムの水溶液が好適に用いられ、特に好ましくはケイ酸ナトリウ
ム水溶液が用いられる。
上記ケイ酸ナトリウム水溶液は、通称“水ガラス”と呼ばれるものであり、市販品が使用できる。化学組成として、SiO=20〜40%、NaO=5〜20%を含むものが好ましい。
Of the above, sodium compounds are more suitable in terms of price.
Moreover, 3) When using an alkali silicate, since it becomes a supply source of the silicic acid monomer (Si (OH) 4 ) itself entrusted to geopolymer formation, it is still more suitable.
From these viewpoints, preferable examples of the alkali source compound include sodium silicate, sodium hydroxide, and a combination of sodium silicate and sodium hydroxide. It is also possible to replace a part of the sodium compound with the corresponding potassium compound within a range not impairing the economic efficiency (cost) in industrial implementation.
Accordingly, as the alkali source, an aqueous solution of potassium hydroxide, sodium hydroxide, sodium silicate or potassium silicate is preferably used, and an aqueous sodium silicate solution is particularly preferably used.
The aqueous sodium silicate solution is commonly called “water glass”, and a commercially available product can be used. The chemical composition preferably contains SiO 2 = 20 to 40% and Na 2 O = 5 to 20%.

アルカリ源を構成する、アルカリ量/水量のモル比(以下、モル比)は0.1以上であることが望ましい。モル比が高いほど得られるジオポリマー硬化体の強度発現性が良いため、練り混ぜ時に添加するアルカリの量を増やし、水を減らす必要があるが、反面、水を減らすほど流動性が低下し、型枠への充填が困難となる。そのため、モル比は0.15以上であることがより好ましい。
使用するアルカリ水溶液の濃度は、好ましくは20〜50質量%の範囲である。
The alkali ratio / water quantity molar ratio (hereinafter, molar ratio) constituting the alkali source is preferably 0.1 or more. The higher the molar ratio, the better the strength development of the resulting geopolymer cured body, so it is necessary to increase the amount of alkali added at the time of kneading and reduce the water, but on the other hand, the fluidity decreases as water is reduced, Filling the formwork becomes difficult. Therefore, the molar ratio is more preferably 0.15 or more.
The concentration of the alkaline aqueous solution used is preferably in the range of 20 to 50% by mass.

[ジオポリマー組成物]
本発明のジオポリマー組成物は、前記ジオポリマー用添加剤と、ジオポリマーを構成する前記活性フィラー等のアルミノシリケート源及びアルカリシリカ溶液等のアルカリ源、並びに骨材を含む。
[Geopolymer composition]
The geopolymer composition of the present invention includes the geopolymer additive, an aluminosilicate source such as the active filler constituting the geopolymer, an alkali source such as an alkali silica solution, and an aggregate.

ジオポリマー組成物の製造において、前記活性フィラーの複数のものを使用する場合には、これらを混合し、アルミノシリケート源を用意する。別途用意したアルカリ源を、アルミノシリケート源に添加して混合し、さらに骨材を添加して混合し、ジオポリマー組成物を製造する。   In the production of the geopolymer composition, when a plurality of the active fillers are used, they are mixed to prepare an aluminosilicate source. A separately prepared alkali source is added to and mixed with the aluminosilicate source, and aggregate is further added and mixed to produce a geopolymer composition.

前記骨材としては、一般的なコンクリートやモルタルに使用されているものを好適に用いることができる。   As said aggregate, what is used for general concrete and mortar can be used suitably.

本発明のジオポリマー添加剤は、アルカリ源を用意する際に一緒に添加してもよく、また、アルカリ源、アルミノシリケート源及び骨材を混ぜた後に添加し、均一に混練してもよい。またジオポリマー添加剤を水溶液として使用することも、固体として使用することも可能である。アルミノシリケート源と、ジオポリマー添加剤および/または添加剤の水溶液を予め混合したものを用いてジオポリマーを製造することも可能である。
ジオポリマー添加剤の添加時期は、アルミノシリケート源とアルカリ源のいずれと混合して、さらに残りのジオポリマー使用材料と混合しても、予め混合したアルミノシリケート源とアルカリ源の混合物に添加してもよいが、後者(混合物への添加)のほうが好ましい。また、添加方法として、所要の添加量を一括でして添加してもよいし、所要の添加量の一部を添加して一度練り混ぜた後、残りの添加剤を加えることもできる。
ジオポリマーの配合設計について、アルカリ溶液(アルカリ源:例えば水ガラス+水酸化ナトウリム+水)の総質量とアルミノシリケート源(活性フィラー粉体(B))の総質量の比([アルカリ溶液/B]×100(%))は、構造体や製品に必要とされる強度によって適宜設定可能であるが、作業性を考慮すると、好ましくは40〜65質量%である。
また、アルカリ溶液の構成成分の割合、例えば[水ガラス(WG)の総質量]/[水酸化ナトリウム(NaOH)又は水酸化ナトリウム水溶液(NaOHaq)の総質量]で表される質量比は、ジオポリマー硬化体の目標凝結時間および強度によって適宜設定可能であるが、好ましくは1.0〜4.0の範囲である。この比率は、水ガラスと水酸化ナトリウム水溶液の体積比で設定することも可能である。
The geopolymer additive of the present invention may be added together when preparing the alkali source, or may be added after mixing the alkali source, the aluminosilicate source and the aggregate and kneaded uniformly. It is also possible to use the geopolymer additive as an aqueous solution or as a solid. It is also possible to produce a geopolymer using a premixed aluminosilicate source and a geopolymer additive and / or an aqueous solution of the additive.
The addition timing of the geopolymer additive can be mixed with either the aluminosilicate source or the alkali source, and further mixed with the rest of the geopolymer use material, but added to the premixed mixture of the aluminosilicate source and the alkali source. However, the latter (addition to the mixture) is preferred. Moreover, as an addition method, a required addition amount may be added all at once, and after adding a part of a required addition amount and kneading once, the remaining additive can also be added.
Regarding the blending design of the geopolymer, the ratio of the total mass of the alkali solution (alkali source: water glass + sodium hydroxide + water) to the total mass of the aluminosilicate source (active filler powder (B)) ([alkali solution / B ] × 100 (%)) can be appropriately set depending on the strength required for the structure or product, but is preferably 40 to 65% by mass in consideration of workability.
Further, the ratio of the constituent components of the alkaline solution, for example, the mass ratio represented by [total mass of water glass (WG)] / [total mass of sodium hydroxide (NaOH) or sodium hydroxide aqueous solution (NaOHaq)] Although it can be set as appropriate depending on the target setting time and strength of the cured polymer, it is preferably in the range of 1.0 to 4.0. This ratio can also be set by the volume ratio of water glass and sodium hydroxide aqueous solution.

以下実施例により本発明を説明する。ただし本発明は、これらの実施例及び比較例によって何ら制限されるものではない。   The following examples illustrate the invention. However, the present invention is not limited to these examples and comparative examples.

[ジオポリマー用添加剤の調製]
表1に示すオキシカルボン酸系化合物と、48質量%水酸化ナトリウム水溶液((株)カネカ製、製品名「苛性ソーダ」、35℃での比重:1.504、純分:48%、モル濃度:18.1mol/L)及びイオン交換水を用い、中和反応により表2に示すジオポリマー用添加剤(ナトリウム塩の30%水溶液)を調製した。オキシカルボン酸(酸)と水酸化ナトリウム(アルカリ)のモル比率は1:1であった。次いで、ジオポリマー用添加剤水溶液を加熱濃縮・再結晶し分別することで、固形のジオポリマー用添加剤(ナトリウム塩)を得た。以下のジオポリマーモルタル実施例においては、モルタル配合に必要な水量を有させるため、水溶液形態のジオポリマー用添加剤と固体形態のジオポリマー用添加剤を併用した。
[Preparation of additive for geopolymer]
An oxycarboxylic acid compound shown in Table 1 and a 48 mass% sodium hydroxide aqueous solution (manufactured by Kaneka Corporation, product name “caustic soda”, specific gravity at 35 ° C .: 1.504, pure content: 48%, molar concentration: 18.1 mol / L) and ion-exchanged water were used to prepare geopolymer additives (30% aqueous solution of sodium salt) shown in Table 2 by neutralization reaction. The molar ratio of oxycarboxylic acid (acid) to sodium hydroxide (alkali) was 1: 1. Subsequently, the geopolymer additive aqueous solution was heated, concentrated, recrystallized and fractionated to obtain a solid geopolymer additive (sodium salt). In the following geopolymer mortar examples, an aqueous solution form geopolymer additive and a solid form geopolymer additive were used in combination in order to have the amount of water necessary for mortar formulation.

Figure 2016079046
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Figure 2016079046
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[ジオポリマーモルタル試験]
48質量%水酸化ナトリウム水溶液((株)カネカ製、製品名「苛性ソーダ」、35℃での比重:1.504、純分:48%、モル濃度:18.1mol/L)100質量部に対し、イオン交換水20質量部を加えて混合し、40質量%水酸化ナトリウム水溶液(比重:1.43、モル濃度:14.3mol/L)を調製した。同様に、上記48質量%水酸化ナトリウム水溶液100質量部にイオン交換水60質量部を加えて混合し、30質量%水酸化ナトリウム水溶液(比重:1.33、モル濃度10.0mol/L)を調製した。
[Geopolymer mortar test]
48 mass% sodium hydroxide aqueous solution (manufactured by Kaneka Corporation, product name “caustic soda”, specific gravity at 35 ° C .: 1.504, pure content: 48%, molar concentration: 18.1 mol / L) per 100 parts by mass Then, 20 parts by mass of ion-exchanged water was added and mixed to prepare a 40% by mass aqueous sodium hydroxide solution (specific gravity: 1.43, molar concentration: 14.3 mol / L). Similarly, 60 parts by mass of ion-exchanged water is added to and mixed with 100 parts by mass of the 48% by mass sodium hydroxide aqueous solution, and a 30% by mass sodium hydroxide aqueous solution (specific gravity: 1.33, molar concentration 10.0 mol / L) is added. Prepared.

前記手順にて調製した40質量%又は30質量%水酸化ナトリウム水溶液(NaOHaq)と、ケイ酸ナトリウム(WG)(富士化学(株)製、製品名「珪酸ソーダ 1号」、密度:1.534、SiO/NaOモル比=2.1、SiO:30%、NaO:15%)と、イオン交換水(W)を、表3及び表10の単位量(g)に従い混合して混合し、No.1〜6のアルカリ溶液(GP溶液)を調製した。
なお、上記アルカリ溶液には、ジオポリマー用添加剤は含まれない。
40 mass% or 30 mass% sodium hydroxide aqueous solution (NaOHaq) prepared by the above procedure and sodium silicate (WG) (product name “Sodium silicate No. 1” manufactured by Fuji Chemical Co., Ltd.), density: 1.534 , SiO 2 / Na 2 O molar ratio = 2.1, SiO 2 : 30%, Na 2 O: 15%) and ion-exchanged water (W) were mixed according to the unit amounts (g) in Table 3 and Table 10. And mix. 1 to 6 alkaline solutions (GP solutions) were prepared.
The alkaline solution does not contain a geopolymer additive.

表2に示すジオポリマー用添加剤を、表3及び表10に示す活性フィラーの質量BまたはWS(g)に対して3質量%、5質量%又は7質量%(オキシカルボン酸ナトリウムの固形分)の割合で添加した。なお、表3及び表10に示すアルカリ溶液/B(フライアッシュ+高炉スラグ微粉末)またはアルカリ溶液/WS(都市ごみ焼却灰溶融スラグ微粉末)(いずれも質量比、%)は各成分の使用量より算出した値である。   The additive for geopolymer shown in Table 2 is 3% by mass, 5% by mass or 7% by mass (solid content of sodium oxycarboxylate) based on the mass B or WS (g) of the active filler shown in Table 3 and Table 10. ). In addition, alkali solution / B (fly ash + blast furnace slag fine powder) or alkali solution / WS (city waste incineration ash molten slag fine powder) (both mass ratio,%) shown in Tables 3 and 10 are used for each component. It is a value calculated from the quantity.

<モルタルフロー(0打)及びフロータイムの測定>
モルタルの練り混ぜにはハイパワーミキサー((株)丸東製作所製:CB−34)を用
いた。表3又は表10のNo.1〜No.6に示す配合において、使用した活性フィラーは、JIS II種のフライアッシュ(FA)と高炉スラグ微粉末4000(BFS)、あるいは都市ごみ焼却灰溶融スラグ微粉末であった。前記の手順で調製したアルカリ溶液とジオポリマー添加剤を、それぞれ所定の活性フィラーに対する割合で計量して、混合した後、活性フィラーに加え、低速(公転62rpm、自転141rpm)で120秒間撹拌した。
低速撹拌終了後、上記ミキサーの運転を停止し、停止してから30秒の間に、ミキサーに細骨材(S)として表3のNo.1〜No.5又は表10のNo.6に示す配合(単位量(g))にてセメント強さ試験用標準砂を加え、再度低速で30秒間撹拌し、次いで速やかに60秒間高速(公転125rpm、自転284rpm)で撹拌した。高速撹拌終了後、作製したジオポリマーモルタルをJISフローコーンに充填し、JIS A 1171に準拠し、モルタルフロー(0打)を測定した。また、フローコーンを引き上げてから、モルタルフローが200mmに到達するまでの時間をフロータイムとして測定した。
<Measurement of mortar flow (0 stroke) and flow time>
A high-power mixer (manufactured by Maruto Seisakusho: CB-34) was used for kneading the mortar. No. in Table 3 or Table 10 1-No. In the formulation shown in FIG. 6, the active filler used was JIS type II fly ash (FA) and blast furnace slag fine powder 4000 (BFS), or municipal waste incineration ash molten slag fine powder. The alkali solution and the geopolymer additive prepared by the above procedure were weighed and mixed in a ratio to a predetermined active filler, respectively, mixed, then added to the active filler, and stirred at low speed (revolution 62 rpm, rotation 141 rpm) for 120 seconds.
After completion of the low-speed stirring, the operation of the mixer was stopped, and within 30 seconds after the stop, the mixer was set as No. 1 in Table 3 as fine aggregate (S). 1-No. 5 or No. 5 in Table 10. The standard sand for cement strength test was added with the composition shown in 6 (unit amount (g)), stirred again at low speed for 30 seconds, and then rapidly stirred at high speed (revolution 125 rpm, rotation 284 rpm) for 60 seconds. After completion of the high-speed stirring, the produced geopolymer mortar was filled into a JIS flow cone, and mortar flow (0 stroke) was measured according to JIS A 1171. Further, the time from when the flow cone was pulled up until the mortar flow reached 200 mm was measured as the flow time.

<凝結時間測定>
凝結時間の測定は、JIS R 5201(セメントの物理試験方法)の凝結試験に準拠して行った。上述の手順にて作製したジオポリマーモルタルを、試料容器(上端外径φ90mm、上端内径φ75±3mm、下端外径φ100mm、下端内径φ85±3mm、高さ40.0±0.5mmの円錐台形状)に充填し、凝結時間の測定に供した。始発時間は、ビガー針装置に設置した始発用標準針が底板の上面からおよそ1mmのところに止まるときとした。一方終結時間は、ビガー針装置に終結用標準針を設置し、ジオポリマーモルタルの表面に針の跡を止めるが、附属小片環による後を残さないようになったときとした。始発および終結に要した時間は、活性フィラーとアルカリ溶液の混合を開始した時刻を起点として求めた。
<Measurement of setting time>
The setting time was measured based on the setting test of JIS R 5201 (physical test method for cement). The geopolymer mortar produced by the above procedure is a sample container (conical shape of a top end outer diameter φ90 mm, an upper end inner diameter φ75 ± 3 mm, a lower end outer diameter φ100 mm, a lower end inner diameter φ85 ± 3 mm, and a height 40.0 ± 0.5 mm. ) And used for measurement of the setting time. The starting time was when the starting standard needle installed in the bigger needle device stopped at about 1 mm from the upper surface of the bottom plate. On the other hand, the termination time was set when the standard needle for termination was installed in the bigger needle device, and the trace of the needle was stopped on the surface of the geopolymer mortar, but the back of the attached small piece ring was not left. The time required for the start and the end was determined from the time when the mixing of the active filler and the alkaline solution was started.

また、本モルタル試験では全質量方式により空気量を測定した。メスシリンダーを用いて測定した結果より、下記式により空気量を算出した。実施例および比較例のすべてのジオポリマーモルタルの空気量は、3.0〜4.0質量%の範囲内であった。
空気量(%)=[1−(ジオポリマーモルタル質量)/(配合から算出した空気量0%でのジオポリマーモルタル質量)]×100
In this mortar test, the amount of air was measured by the total mass method. From the result of measurement using a graduated cylinder, the amount of air was calculated by the following formula. The air content of all the geopolymer mortars in the examples and comparative examples was in the range of 3.0 to 4.0% by mass.
Air amount (%) = [1- (Geopolymer mortar mass) / (Geopolymer mortar mass at 0% air amount calculated from formulation)] × 100

<圧縮強度の測定及び表面外観の評価>
圧縮強度の測定では、φ5cm、高さ10cmのプラスチック製モールドに作製したジオポリマーモルタルを充填し、ラップを用いて供試体を封緘した。その後、プログラム制御式恒温槽(PWL−3KP、エスペック(株)製)にて、20℃のみの養生と、80℃経由の養生の2パターンの養生を行った。
1)80℃経由の養生方法:
80℃経由の養生方法は、詳細には、供試体封緘後、まず20℃にて2時間養生し、その後3時間かけて80℃まで昇温し、80℃到達後同温にて24時間養生を行った。養生終了後、6時間かけて20℃まで冷却し、その後供試体を脱型した。
脱型時の材齢を1日とし、その後、材齢28日まで温度20℃、湿度60%にて気中養生を行い、材齢28日での圧縮強度をJIS A 1108の手順に従って測定した。各実施例または比較例に対し、5本の供試体の作製・測定を行い、その平均値としての圧縮強度(N/mm)、標準偏差σ、およびCV値(標準偏差/平均値)を算出した。
また、80℃養生後の脱型時に、供試体の外観について目視にて観察し、以下の評価基準にて評価した。なお、気中養生終了後(材齢28日)の外観は、いずれの試供体においても材齢1日と比較して変化は確認されなかった。
・外観 評価基準
◎ 供試体表面に白華が全く観察されない。
○ 供試体表面に白華がわずかに観察される(およそ表面積2%未満)。
× 供試体表面に白華が目立って観察される(およそ表面積2%以上)。
2)20℃のみの養生方法:
20℃のみの養生方法は、詳細には、供試体封緘後、20℃にて1日間養生したのち供試体を脱型した。その後供試体を20℃、湿度60%にて28日間気中養生を実施した。
それぞれの材齢における供試体について、JIS A 1108の手順に従って圧縮強度を測定した。各実施例または比較例に対し、材齢7、28日で各3本の供試体の作製・測定を行い、その平均値としての圧縮強度(N/mm)を算出した。
<Measurement of compressive strength and evaluation of surface appearance>
In the measurement of the compressive strength, the prepared geopolymer mortar was filled in a plastic mold having a diameter of 5 cm and a height of 10 cm, and the specimen was sealed with a wrap. Thereafter, curing was performed in two patterns: curing at 20 ° C. and curing via 80 ° C. in a program-controlled thermostatic chamber (PWL-3KP, manufactured by ESPEC Corporation).
1) Curing method via 80 ° C:
Specifically, the curing method via 80 ° C. is as follows. After sealing the specimen, first curing is performed at 20 ° C. for 2 hours, and then the temperature is raised to 80 ° C. over 3 hours, and after reaching 80 ° C., curing is performed at the same temperature for 24 hours. Went. After curing, the sample was cooled to 20 ° C. over 6 hours, and then the specimen was demolded.
The material age at the time of demolding was set to 1 day, and then air curing was performed at a temperature of 20 ° C. and a humidity of 60% until the material age was 28 days, and the compressive strength at the material age of 28 days was measured according to the procedure of JIS A 1108. . For each of the examples or comparative examples, five specimens were prepared and measured, and the compressive strength (N / mm 2 ), standard deviation σ, and CV value (standard deviation / average value) as average values were measured. Calculated.
Moreover, at the time of demolding after curing at 80 ° C., the appearance of the specimen was visually observed and evaluated according to the following evaluation criteria. In addition, the external appearance after completion of the air curing (age 28 days) was not confirmed in any of the specimens compared with the age 1 day.
・ Appearance Evaluation Criteria ◎ No white flower is observed on the surface of the specimen.
○ Slight whiteness is observed on the surface of the specimen (approximately less than 2% surface area).
X White flower is conspicuously observed on the surface of the specimen (approximately surface area of 2% or more).
2) Curing method only at 20 ° C:
Specifically, the curing method only at 20 ° C. was carried out at 20 ° C. for 1 day after sealing the specimen, and then the specimen was demolded. Thereafter, the specimen was subjected to air curing at 20 ° C. and a humidity of 60% for 28 days.
The compressive strength was measured according to the procedure of JIS A 1108 for each specimen at each age. For each example or comparative example, three specimens were prepared and measured at a material age of 7 and 28 days, and the compressive strength (N / mm 2 ) as an average value thereof was calculated.

高温経由養生を実施した供試体における、GPモルタルの流動性(フロータイム、モルタルフロー)、凝結時間、そして高温経由養生後の圧縮強度および硬化体の外観について評価した試験結果を表4〜表8に示す。また、活性フィラーとして都市ごみ焼却灰溶融スラグ微粉末を用いて作製したGPモルタルについて実施した流動性、凝結時間、そして高温経由養生後の圧縮強度および硬化体の外観について評価した試験結果を表11に示す。
また、20℃のみの養生を実施した供試体における、GPモルタルの流動性、凝結時間、そして養生後の圧縮強度について評価した試験結果を表9に示す。
Tables 4 to 8 show the test results evaluated for the GP mortar fluidity (flow time, mortar flow), setting time, compressive strength after curing via high temperature, and appearance of the cured body in specimens subjected to high temperature curing. Shown in Table 11 shows the test results for evaluating the flowability, setting time, compressive strength after curing via high temperature, and appearance of the cured product, which were performed on the GP mortar prepared using municipal waste incineration ash molten slag fine powder as an active filler. Shown in
Table 9 shows the test results of evaluating the GP mortar fluidity, setting time, and compressive strength after curing in specimens subjected to curing at 20 ° C only.

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上記結果に示すように、本発明のジオポリマー用添加剤をジオポリマー組成物に添加することにより、凝結時間を適切な時間(例えば40〜60分前後)に調整することが可能となり、すなわち打込みの作業性を向上させることができること、また硬化体の強度発現性を損なうことなく、同時に硬化体の表面の美観に優れる、ジオポリマー硬化体を得ることができることが確認された。また、ジオポリマーを調製後に運搬と打設の時間が長い場合に、水の蒸発および硬化反応などによる流動性の低下は大きい。この場合、硬化反応速度の調整は重要である。表11に示すジオポリマーの凝結時間の試験結果より、本発明の添加剤の使用によって長時間の作業性確保や作業時間の調整が可能となることがわかる。なお、本発明のジオポリマー用添加剤の使用によって、CaOの含有量が高いフィラーを使ったジオポリマーの凝結始発時間を1.4〜2.1倍延長でき(添加剤使用と未使用の場合の凝結始発時間比)、かつ20℃の常温養生でも強度発現性が比較例と比べて高く、およそ60MPa以上の高強度ジオポリマー硬化体を作製できた。   As shown in the above results, it is possible to adjust the setting time to an appropriate time (for example, around 40 to 60 minutes) by adding the geopolymer additive of the present invention to the geopolymer composition, that is, driving. It was confirmed that the geopolymer cured product having excellent aesthetics on the surface of the cured product can be obtained without impairing the workability of the cured product, and without impairing the strength development of the cured product. In addition, when the time for transportation and placement is long after the geopolymer is prepared, the decrease in fluidity due to water evaporation and curing reaction is large. In this case, adjustment of the curing reaction rate is important. From the test results of the setting time of the geopolymer shown in Table 11, it can be seen that long-time workability can be ensured and the working time can be adjusted by using the additive of the present invention. In addition, by using the additive for geopolymer of the present invention, the initial setting time of the geopolymer using a filler having a high CaO content can be extended by 1.4 to 2.1 times (when the additive is used and not used). The ratio of the initial time of condensation to 20 ° C. and normal temperature curing at 20 ° C. showed higher strength than the comparative example, and a high-strength geopolymer cured product of about 60 MPa or more could be produced.

Claims (5)

水酸基価が250〜1500mgKOH/g、かつ酸価が250〜950mgKOH/gである1種以上の脂肪族オキシカルボン酸の塩を含む組成物からなるジオポリマー用添加剤であって、
前記脂肪族オキシカルボン酸の水酸基価/酸価の質量加重平均値が0.40以上5.00未満である、ジオポリマー用添加剤。
A geopolymer additive comprising a composition comprising a salt of one or more aliphatic oxycarboxylic acids having a hydroxyl value of 250 to 1500 mg KOH / g and an acid value of 250 to 950 mg KOH / g,
The additive for geopolymers wherein the weight-weighted average value of hydroxyl value / acid value of the aliphatic oxycarboxylic acid is 0.40 or more and less than 5.00.
前記脂肪族オキシカルボン酸の塩を含む組成物が、酒石酸塩を含むものである、請求項1に記載のジオポリマー用添加剤。 The additive for geopolymers of Claim 1 whose composition containing the salt of the said aliphatic oxycarboxylic acid contains tartrate. CaO含有量が10〜60質量%である少なくとも一種のアルミノシリケート源、並びに、アルカリ金属水酸化物、アルカリ金属炭酸塩及びアルカリ金属ケイ酸塩からなる群から選択される少なくとも一種のアルカリ源を含む混合物より形成されるジオポリマーに適用される、請求項1又は請求項2に記載のジオポリマー用添加剤。 Including at least one aluminosilicate source having a CaO content of 10 to 60% by mass, and at least one alkali source selected from the group consisting of alkali metal hydroxides, alkali metal carbonates and alkali metal silicates The additive for geopolymers of Claim 1 or Claim 2 applied to the geopolymer formed from a mixture. 請求項1又は請求項2に記載のジオポリマー用添加剤、
CaO含有量が10〜60質量%である少なくとも一種のアルミノシリケート源、
アルカリ金属水酸化物、アルカリ金属炭酸塩及びアルカリ金属ケイ酸塩からなる群から選択される少なくとも一種のアルカリ源、及び
骨材
を含む、ジオポリマー組成物。
The additive for geopolymer according to claim 1 or 2,
At least one aluminosilicate source having a CaO content of 10 to 60% by mass;
A geopolymer composition comprising at least one alkali source selected from the group consisting of alkali metal hydroxides, alkali metal carbonates and alkali metal silicates, and aggregates.
請求項1又は請求項2に記載のジオポリマー用添加剤を請求項3記載のジオポリマーに適用して得られる、ジオポリマー硬化体。
A cured geopolymer obtained by applying the geopolymer additive according to claim 1 or 2 to the geopolymer according to claim 3.
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