JP2018043909A - ジオポリマー組成物、及びジオポリマー硬化体 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、火災等の高温条件下で優れた寸法安定性を発揮するジオポリマー組成物を提供する。【解決手段】本発明のジオポリマー組成物は、珪酸アルカリ塩、及び前記珪酸アルカリ塩とでジオポリマーの生成を可能にする活性化成分を含有するジオポリマー組成物である。Ｃａ元素の含有量は、固形分全量に対して１３重量％以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、ジオポリマー組成物、及びジオポリマー硬化体に関し、詳細には、建築用、土木用、構造体成形用材料に適したジオポリマー組成物、及びジオポリマー硬化体に関する。

従来から、セメントを主要材料として用いたセメント系建築材料（例えば、外壁材）に、火災時の耐火性能を付与することが検討されている。このような耐火性能を得るにあたって、例えば、特許文献１では、セメント、木質補強材、シラスバルーンを含む珪酸含有物質、マイカなどの偏平状鉱物、水酸化物、を配合した表裏層と芯層からなる木質セメント板が提案されている。

しかし、特許文献１の木質セメント板等で知られているセメント系建築材料であっても、セメントが主要材料として用いられているため、セメント系建築材料に含まれる結合水が火災等の高温条件下で遊離して、寸法収縮が生じる場合がある。この場合、建物に施工した状態から、セメント系建築材料が脱落したり、クラックが生じたりして、建物におけるセメント系建築材料の施工構造で耐火性能を維持できないことが考えられる。

特許第４４１２９０９号公報

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、火災等の高温条件下で優れた寸法安定性を発揮するジオポリマー組成物、及びジオポリマー硬化体を提供することである。

本発明に係るジオポリマー組成物は、珪酸アルカリ塩、及び前記珪酸アルカリ塩とでジオポリマーの生成を可能にする活性化成分を含有するジオポリマー組成物であって、Ｃａ元素の含有量は、固形分全量に対して１３重量％以下である。

本発明に係るジオポリマー硬化体は、前記ジオポリマー組成物の硬化物である。

本発明によれば、火災等の高温条件下で優れた寸法安定性を発揮することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るジオポリマー硬化体の熱収縮率と、Ｃａ元素の含有量との関係を概略で示すプロット図である。

以下、本発明に係る一実施形態を説明する。

本実施形態に係るジオポリマー組成物は、珪酸アルカリ塩、及び珪酸アルカリ塩とでジオポリマーの生成を可能にする活性化成分を含有する。そして、Ｃａ元素の含有量は、ジオポリマー組成物の固形分全量に対して１３重量％以下である。

本実施形態に係るジオポリマー組成物が珪酸アルカリ塩と活性化成分とを含有することで、ジオポリマーを生じさせることが可能になる。この場合、ジオポリマー組成物中でジオポリマーの生成を進行させて、ジオポリマー硬化体を得ることができる。ここで、「ジオポリマー」は、アルミニウム等を含有する珪酸ポリマーである。また、ジオポリマーは、アルミニウム元素を中心にして、４つのケイ酸基が付加したものを主な構造として有する。

一方、ジオポリマー硬化体と外観が似ている硬化物として、例えばセメント系硬化体が挙げられる。このセメント系硬化体は、その主要成分である珪酸及び消石灰が中和反応して得られる硬化物である。セメント系硬化体は、一般的には、珪酸及び消石灰が約１：３の重量割合となる場合の中和反応で得られる硬化物である。また、セメント系硬化体は、カルシウム元素を中心にして、２つのケイ酸基が付加したものを主な構造として有する。

ジオポリマー硬化体は、ジオポリマー組成物中の固形分を反応させて硬化させたものである。ジオポリマー硬化体は、セメント系硬化体と比べて、異なる主な構造を有し、且つより密に硬化されたものとなる。ジオポリマー硬化体中の結合水は、セメント系硬化体よりも少なくなる傾向がある。すなわち、ジオポリマー硬化体では、結合水が生じにくくなる傾向がある。このことから、ジオポリマー硬化体を、火災等の高温条件下で処理しても、結合水の遊離に伴う熱収縮を抑えることができる。このため、寸法安定性に優れたジオポリマー硬化体を得ることができる。

Ｃａ元素はジオポリマー組成物の硬化を促進させることができる。しかし、Ｃａ含有量が１３重量％を超える場合、水和反応が生じて、ジオポリマー硬化体中の結合水が増えやすくなる。このような場合、火災等の高温条件下における結合水の遊離が大きくなる。このため、高温条件下における熱収縮が大きく生じて優れた寸法安定性を得にくくなる。このようなことから、Ｃａ元素の含有量は、１３重量％以下であるとよい。この場合、Ｃａ元素の含有量は、好ましくは１０重量％以下であり、より好ましくは７重量％以下である。また、ジオポリマー組成物を硬化促進できれば、Ｃａ元素の含有量の下限は、特に限定されないが、例えば、Ｃａ元素の含有量を３重量％以上にすることができる。

ジオポリマー組成物中のＣａ元素の含有量を１３重量％以下にすることで、ジオポリマー組成物の硬化を促進させつつ、ジオポリマー硬化体中の結合水を少なくすることができ、高温条件下におけるジオポリマー硬化体の熱収縮を抑えることができる。さらに優れた寸法安定性をジオポリマー硬化体で得ることができる。また、ジオポリマー組成物の硬化時に生じるジオポリマーに起因して、ジオポリマー硬化体は、セメント系硬化体に比べて、二酸化炭素等を含有する雨により、腐食されにくくなる。

活性化成分は、フライアッシュ、スラグ及びメタカオリンの群から選択される少なくとも１種の成分を含有することができる。また、活性化成分は、フライアッシュのみを含有してもよい。活性化成分は、珪酸アルカリ塩とのジオポリマー生成に関わるアルミニウム元素を含有する成分であり、このような活性化成分は、Ｃａ元素を含有してもよい。活性化成分がＣａ元素を含有する場合、活性化成分中の組成割合に基いて、ジオポリマー組成物におけるＣａ元素の含有量を１３重量％以下にすることができる。

活性化成分がスラグとフライアッシュを含有する場合、スラグとフライアッシュとの重量比が、０〜９０：１００〜１０であることが好ましく、より好ましくは、０〜４０：１００〜６０である。

Ｃａ元素の含有量が１３重量％以下になっていれば、ジオポリマー組成物は、活性化成分とは別のＣａ供給材料を更に含有することができる。このようなＣａ供給材料は、消石灰、セメントの群から選択される少なくとも１種の材料を含有してもよい。

ジオポリマー組成物が、乾燥状態の活性化成分と、乾燥状態の珪酸アルカリ塩とを含有する場合、ジオポリマー組成物は、硬化前に、水を含有することができる。これにより、ジオポリマーを生成させると共にジオポリマー組成物を硬化させることができる。また、ジオポリマー組成物が乾燥状態のＣａ供給材料を含有する場合でも、硬化前に水を含有させることで、ジオポリマーを生成させると共にジオポリマー組成物を硬化させることができる。

具体的には、水に溶解した珪酸アルカリ塩は、一般的に水ガラスとして知られている、水酸基を有する珪酸になり得る。このような水ガラス（水酸基を有する珪酸）はアルカリ性を示すため、水ガラスの生成により、ジオポリマー組成物はアルカリ環境に変化する。これにより、少なくとも活性化成分に含まれる一部の金属元素が溶出し、溶出した金属元素が金属水酸化物に形成されると考えられる。このようにして得られた水ガラスと金属水酸化物とが反応して、ジオポリマーを生成させると共にジオポリマー組成物を硬化させることができると考えられる。

珪酸アルカリ塩は、珪素を主要元素として含有する珪酸と、アルカリ金属とを含有する化合物であるとよい。珪酸アルカリ塩としては、例えば、珪酸ナトリウム、珪酸カリウム、メタ珪酸ナトリウムが挙げられる。

ジオポリマー組成物が、水ガラスを含有する場合、ジオポリマー組成物は珪酸アルカリ塩と共に水を含有することができる。この場合、水ガラスに含まれる水分に、金属元素が少なくとも活性化成分から溶出して、金属水酸化物が形成され得る。これにより、ジオポリマーを生成させると共にジオポリマー組成物を硬化させることができる。水ガラスとして、例えば、珪酸ナトリウム水溶液、珪酸カリウム水溶液が挙げられる。

ジオポリマー組成物は、アルカリ水溶液を含有してもよい。この場合、アルカリ水溶液と珪酸アルカリ塩とで水ガラスを生成することができると共に、アルカリ水溶液がアルカリ環境を維持して水ガラスをジオポリマー組成物中で中和させにくくすることができる。さらに、アルカリ環境下で金属元素を溶出させやすくなり、金属水酸化物が形成され易くなる。これによりジオポリマーを生成させ易くなると共にジオポリマー組成物を硬化させ易くすることができる。アルカリ水溶液として、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液が挙げられる。

ジオポリマー組成物に含まれる水の量は、本実施形態に係る効果を得ることができれば、ジオポリマー組成物の流動性や利便性等に合わせて適度に設定される。

ジオポリマー組成物は、建築用、土木用、構造体成形用途に適した組成物であることが好ましく、後述の床板材や外壁に適した組成物であることがより好ましい。上記用途の他に、一般的にコンクリートやモルタルが採用されている用途に、ジオポリマー組成物を適応させることができる。

ジオポリマー組成物の用途に応じて、ジオポリマー組成物は、例えば、軽量化材、骨材、強化繊維、増粘剤、着色剤等の各種添加材を含有することができ、添加剤の含有量を適宜調整することができる。各添加材の含有量は、例えば、ジオポリマー組成物の固形分重量割合で、０重量％〜２．０重量％の範囲内であればよい。

軽量化材としては、例えば、パーライト、シラスバルーン等の無機発泡体や、発泡ポリスチレン、ポリ塩化ビニリデン発泡体、アクリロニトリル系発泡体等の有機発泡体が挙げられる。

骨材としては、例えば、マイカ、シリカ、珪石粉、岩粉、珪砂、砕石が挙げられる。骨材がマイカである場合、その粒子形状が鱗片状である。このため、マイカが、充填材として機能して、ジオポリマー組成物の硬化収縮を低減させることに寄与するとも考えられる。

強化繊維として、例えば、パルプ繊維、ビニロン繊維、ポリプロピレン繊維、アクリル繊維、カーボン繊維、麻、金属繊維が挙げられる。ジオポリマー組成物が強化繊維を含有する場合、強化繊維がジオポリマー組成物の硬化収縮を低減すると共に、ジオポリマー硬化体の強度を向上させることが期待される。

増粘剤としては、例えば、メチルセルロースやヒドロキシメチルセルロースやカルボキシメチルセルロースが挙げられる。

着色剤としては、例えば、鉄黒、カーボンブラック、酸化クロムが挙げられる。

本実施形態に係るジオポリマー組成物の硬化物はジオポリマー硬化体であることが好ましい。ジオポリマー硬化体を作製するにあたって、ジオポリマー組成物を、公知の手順で硬化させることができれば、ジオポリマー組成物を硬化させる方法は特に限定されない。例えば、ジオポリマー組成物を型枠内に充填させることができる。そして、型枠内に充填したジオポリマー組成物は、常温封緘または水蒸気養生を経て、硬化物に作製され、その後、この硬化物に乾燥処理を施すことができる。これにより、型枠内でジオポリマー組成物を硬化させて型枠の内形状に合わせた外形状を有するジオポリマー硬化体を得ることができる。

型枠内で硬化されたジオポリマー硬化体は、例えば、ＯＡフロア材等の床板材；外壁材に適した材料になり得る。ジオポリマー硬化体がＯＡフロア材として利用される場合は、型枠からジオポリマー硬化体を離型させなくてもよい。また、ジオポリマー硬化体が外壁材として利用される場合は、型枠からジオポリマー硬化体を離型させることが考えられる。

ジオポリマー組成物からジオポリマー硬化体を作製する場合、ジオポリマー組成物を６０℃且つ密封状態の下で２４時間養生硬化させることが好ましく、養生硬化物を６０〜１０５℃の下で乾燥処理を施すことが好ましい。この場合、ジオポリマーの生成を十分に行うことが可能となる。これにより、ジオポリマー硬化体の強度を高めることができる。

ジオポリマー組成物からジオポリマー硬化体が作製される際、硬化前に、ジオポリマー組成物中で、珪酸アルカリ塩と、活性化成分とが均一に分散されていることが好ましい。また、Ｃａ供給材料が更に用いられる場合、Ｃａ供給材料もジオポリマー組成物中で均一に分散されていることが好ましい。このようなジオポリマー組成物では、Ｃａ元素の含有量が、固形分全量に対して１３重量％以下である。ジオポリマー組成物中で各成分を分散させるにあたって、例えば、バッチ式や連続式のミキサー内でジオポリマー組成物を混練することができる。

また、上記の他に、セメントやモルタルの代わりに、ジオポリマー組成物を適応させることができる。例えば、積石等の構造物における隙間にジオポリマー組成物を充填して硬化させる場合、このジオポリマー組成物を構造物の接着材として機能させることができる。

以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。

なお、表１は、ジオポリマー組成物の調製に用いられる各成分中のＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯの含有量を示す。

・*１：高炉水砕スラグ（日鉄住金スラグ製品株式会社製のエスメント）；
・*２：株式会社テクノ中部製の中部フライアッシュ；
・*３：大阪珪酸曹達株式会社製の３号珪酸ソーダ（６２重量％水溶液）。

＜実施例１−４及び比較例１−２＞
｛ジオポリマー組成物の調製｝
表２に示す粉体成分を混合した後、この混合物に、重量比で２０：１：１０の水、水酸化ナトリウム、及び水ガラスを含有する水溶液を３１重量部投入した。そして、これらの成分を混練してジオポリマー組成物を調製した。

｛ジオポリマー硬化体の作製｝
このようにして調製されたジオポリマー組成物を型枠内へ注型し、この型枠内のジオポリマー組成物を常温封緘で硬化させてジオポリマー硬化体を作製した。

｛評価｝
実施例１−４及び比較例１−２の各々のジオポリマー硬化体を、５０ｍｍ（縦）×５０ｍｍ（横）×１５ｍｍ（厚み）に切断した。そして、切断後のジオポリマー硬化体を、１０５℃で２４時間の絶乾処理を前処理として行って遊離水を除去させた。その後、９００℃で２０分電気炉内で加熱処理を行った。ジオポリマー硬化体を評価するにあたって、加熱処理前と加熱処理後とで縦横それぞれの寸法をノギスで測定し、下記式に基いて熱収縮率を算出した。
熱収縮率（％）＝（Ａ−Ｂ）／Ａ×１００
Ａは、加熱処理前におけるジオポリマー硬化体の縦横それぞれの寸法の平均値であり、Ｂは、加熱処理後におけるジオポリマー硬化体の縦横それぞれの寸法の平均値である。

上記のように算出された熱収縮率に基いて、実施例１−４及び比較例１−２の各々のジオポリマー硬化体を、下記のように評価した。
○：熱収縮率が３．５％以下であった。
×：熱収縮率が３．５％を超えた。

これらの結果を表２に示す。

Claims (2)

1. 珪酸アルカリ塩、及び前記珪酸アルカリ塩とでジオポリマーの生成を可能にする活性化成分を含有するジオポリマー組成物であって、
   Ｃａ元素の含有量は、固形分全量に対して１３重量％以下である、ジオポリマー組成物。
2. 請求項１に記載のジオポリマー組成物の硬化物である、ジオポリマー硬化体。

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