JP2019048729A

JP2019048729A - 結合材組成物およびその刺激剤

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Publication number: JP2019048729A
Application number: JP2017172710A
Authority: JP
Inventors: 大樹島崎; Daiki Shimazaki; 泰一郎森; Taiichiro Mori; 盛岡　実; Minoru Morioka; 実盛岡
Original assignee: Denka Co Ltd
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2019-03-28

Abstract

【課題】十分な可使時間を確保でき、強度発現性が良好で、型枠の剥離性も良く、安全性の高い結合材組成物を提供する。【解決手段】(1)水酸化ナトリウムを含まず、高炉スラグ微粉末と、３ＣａＯ・２Ｒ２Ｏ・５Ａｌ２Ｏ３とを含有する結合材組成物、(2)さらに、フライアッシュを含むことを特徴とする該結合材組成物、(3)Ｒ２ＯがＮａ２Ｏ及び／又はＫ２Ｏであることを特徴とする該結合材組成物、(4)結合材組成物１００部中、３ＣａＯ・２Ｒ２Ｏ・５Ａｌ２Ｏ３の含有量が１〜１０部であることを特徴とする該結合材組成物、(5)フライアッシュと高炉スラグ微粉末の配合割合が、１０／９０〜９０／１０の範囲にあることを特徴とする該結合材組成物、(6)３ＣａＯ・２Ｒ２Ｏ・５Ａｌ２Ｏ３を主成分とする、該結合材組成物用刺激剤。【選択図】なし

Description

本発明は、土木・建築分野で使用される結合材組成物およびその刺激剤に関する。

近年、土木や建築分野において、環境負荷の低減が強く求められている。コンクリートの構成材料のうち、ポルトランドセメントが最も環境負荷の大きな材料となっており、その使用割合を低減する提案がなされている。

ポルトランドセメントの使用割合を低減する方法としては、産業副産物である高炉スラグ微粉末やフライアッシュを置換して用いる方法が挙げられ、各種の混合セメントが代表的である。近年では、ポルトランドセメントを全く用いず、フライアッシュや高炉スラグを主材とし、水酸化ナトリウムと水ガラスの混合物を硬化液として硬化させるジオポリマーの開発も盛んに行われている（例えば、特許文献１〜特許文献５参照）。

ジオポリマーは、ポルトランドセメントを使わず、産業副産物を主材とするため、環境負荷低減の観点から大きな期待が寄せられている。しかしながら、ジオポリマーは、硬化液に高ｐＨの水酸化ナトリウムや水ガラスを用いるため、安全性に課題があるほか、可使時間が十分に確保できないことや、高炉スラグの配合割合を多くすることができず、強度発現性の制御に課題がある。

さらに、フライアッシュ、水酸化ナトリウムや水ガラスを含むアルカリ硬化液、及びカルシウムアルミネート系の促進剤を併用して、迅速に硬化させるジオポリマー組成物が提案されている（特許文献６参照）。しかしながら、前記課題は解決されていない。

近年、水酸化ナトリウムや水ガラスを含むアルカリ硬化液を用いず、フライアッシュや高炉スラグからなる主材を硬化させることができる技術の開発が強く望まれていた。

水酸化ナトリウムや水ガラスを含むアルカリ硬化液を用いずに、フライアッシュや高炉スラグからなる主材を硬化させることができれば、安全性が高まるとともに、十分な可使時間が確保でき、また、結合材に占める高炉スラグの割合を高めることができ、強度発現性の制御が容易になって、広範な利用が可能となる。

特開２００８−２３９４４６号公報特開２０１３−００１５８０号公報特開２０１５−１５７７３１号公報特開２０１６−００５９９４号公報特開２０１６−０２６９９９号公報特開２０１６−０３３１０４号公報

ジオポリマーは、硬化液に高ｐＨの水酸化ナトリウムや水ガラスを用いるため、安全性に課題があるほか、可使時間が十分に確保できないことや、高炉スラグの配合割合を多くすることができず、強度発現性の制御に課題がある。本発明の目的は十分な可使時間を確保でき、強度発現性が良好で、安全性が高く、さらに、型枠の剥離性も良い結合材組成物を提供することにある。

本発明者は、前記課題を解決すべく、種々努力を重ねた結果、特定の結合材組成物により、前記課題が解消できることを知見し、本発明を完成するに至った。

本発明は、（１）水酸化ナトリウムを含まず、高炉スラグ微粉末と、３ＣａＯ・２Ｒ_２Ｏ・５Ａｌ_２Ｏ_３とを含有することを特徴とする結合材組成物であり、（２）さらに、フライアッシュを含むことを特徴とする該結合材組成物であり、（３）Ｒ_２ＯがＮａ_２Ｏ及び／又はＫ_２Ｏであることを特徴とする該結合材組成物であり、（４）結合材１００部中、３ＣａＯ・２Ｒ_２Ｏ・５Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が１〜１０部であることを特徴とする該結合材組成物であり、（５）フライアッシュ及び高炉スラグ微粉末の配合割合が、１０／９０〜９０／１０の範囲にあることを特徴とする該結合材組成物であり、（６）３ＣａＯ・２Ｒ_２Ｏ・５Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とする、該結合材組成物用刺激剤である。

本発明の刺激剤を使用した結合材組成物は、安全性が高く、十分な可使時間を確保でき、強度発現性、並びに、型枠の剥離性が良好である。

以下、本発明を詳細に説明する。本発明で使用する部や％は特に規定しない限り質量基準である。

本発明の刺激剤は、３ＣａＯ・２Ｒ_２Ｏ・５Ａｌ_２Ｏ_３主成分とする。Ｒ_２Ｏとしては、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｌｉ_２Ｏが挙げられる。本発明の刺激剤はＣａＯ原料、Ａｌ_２Ｏ_３原料、Ｒ_２Ｏ原料等を混合して、キルンでの焼成や電気炉での溶融等の熱処理をして得られる。焼成温度は原料の配合にもよるが１３００℃以上が好ましく、１５００℃以上がより好ましい。１３００℃未満では効率良く反応が進まず、未反応のＡｌ_２Ｏ_３が残る可能性がある。３ＣａＯ・２Ｒ_２Ｏ・５Ａｌ_２Ｏ_３の含有量は結合材１００部中１〜１０部である。１部未満では強度発現性が十分でなく、一方、１０部を超えると可使時間が短くなる傾向がある。

ＣａＯ原料としては、生石灰、石灰石、消石灰などが挙げられる。Ａｌ_２Ｏ_３原料としては、ボーキサイトやアルミ残灰などが挙げられる。Ｒ_２Ｏ原料としては炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸リチウム、水酸化リチウムなどが挙げられ、これらから選ばれる１種ないし２種以上を用いることができる。

なお、一般の工業原料にはＳｉＯ_２、ＭｇＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２等の不純物が含まれている。刺激剤に含まれるこれらの不可避的な不純物は、それぞれの含有量が２％以下で、かつ、総量が５％以下の範囲で存在しても差し支えなく、水和反応を制御したり、温度依存性を小さくしたりする良い一面もある。

本発明の刺激剤は、粉砕処理により、ブレーン比表面積で２,５００〜９,０００ｃｍ^２／ｇに調整することが好ましい。刺激剤の粉末度が、ブレーン比表面積で２,５００ｃｍ^２／ｇ未満では、十分な刺激効果が得られない場合や、低温での強度発現性が十分でない場合がある。一方、９,０００ｃｍ^２／ｇを超えても更なる効果の増進は期待できない。

本発明でいう高炉スラグ微粉末とは、高炉で銑鉄を得る際に副生するスラグを水で急冷して得た水砕スラグを粉砕したものである。本発明においては、ＪＩＳＡ６２０６で定められる品質を満たすものが好ましい。また高炉スラグ微粉末の粒度は、特に限定するものではないがブレーン比表面積で３０００ｃｍ^２／ｇ以上であることが好ましい。

本発明でいうフライアッシュとは、石炭火力発電所で石炭燃焼の際に発生する石炭灰で、集塵器によって捕集される灰である。本発明においては、ＪＩＳＡ６２０１に定められるＩ種〜ＩＶ種に分類されるものが好ましく、特にＩＩ種に分類されるものが好ましい。

本発明における結合材組成物のフライアッシュ及び高炉スラグ微粉末の配合割合は１０／９０〜９０／１０の範囲である。フライアッシュが１０部未満で高炉スラグが９０部を超えると、可使時間が十分でない場合があり、一方、フライアッシュが９０部を超え高炉スラグが１０部未満では、強度発現性、特に初期強度発現性が十分でない場合がある。

本発明では、石灰石微粉末、高炉徐冷スラグ微粉末、下水汚泥焼却灰やその溶融スラグ、都市ゴミ焼却灰やその溶融スラグ、パルプスラッジ焼却灰等の混和材料、減水剤、AE減水剤、高性能減水剤、高性能AE減水剤、消泡剤、増粘剤、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、ポリマー、凝結調整剤、ベントナイト等の粘土鉱物、並びに、ハイドロタルサイトなどのアニオン交換体等のうちの１種または２種以上を、本発明の目的を実質的に阻害しない範囲で併用することが可能である。

減水剤はセメントに対する分散作用や空気連行作用を有し、流動性改善や強度増進に有効である。具体的には、ナフタレンスルホン酸系減水剤、メラミンスルホン酸系減水剤、リグニンスルホン酸系減水剤、及びポリカルボン酸系減水剤等が挙げられるが、特に限定されるものではない。これらの中で、効果が大きい点で、リグニンスルホン酸系減水剤の使用が好ましい。

本発明では細骨材を併用できる。細骨材としては、適度な施工性及び強度発現性が得られれば、特に限定されるものではないが、中でも珪砂が好ましいものとして挙げられる。細骨材は、乾燥砂が好ましい。乾燥砂としては、絶乾状態の砂が好ましい。

細骨材の使用量は、結合材組成物１００部に対して、１００〜６００部が好ましく、１５０〜４００部がより好ましく、２００〜４００部が最も好ましい。１００部未満では施工性が低下する場合があり、一方、６００部を超えると強度が低下する場合がある。

本発明で使用する練り混ぜ水量は特に限定されるものではないが、通常、水／結合材組成物比で２５〜７０％が好ましく、３０〜５０％がより好ましい。これらの範囲外では施工性が大きく低下したり、強度が低下したりする場合がある。

以下に実験例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実験例に限定されるものではない。

「実験例１」
高炉スラグ微粉末とフライアッシュと刺激剤を、表１に示す割合で配合して結合材組成物を調製した。細骨材を結合材組成物１００部に対して２５０部添加し、水／結合材組成物比を４０％として混練し、可使時間及び圧縮強度の測定、並びに、型枠からの剥離性と安全性評価を行った。結果を表１に示す。

＜使用材料＞
高炉スラグ微粉末（ＢＦＳ）：市販品、ブレーン比表面積4000cm²／g
フライアッシュ（ＦＡ）：ＪＩＳII種相当品（JIS A 6201）、ブレーン比表面積4000cm²／g
刺激剤Ａ：３ＣａＯ・Ｎａ_２Ｏ・５Ａｌ_２Ｏ_３、ブレーン比表面積5000cm²／g
刺激剤Ｂ：３ＣａＯ・Ｋ_２Ｏ・５Ａｌ_２Ｏ_３、ブレーン比表面積5000cm²／g
刺激剤Ｃ：３ＣａＯ・Ｌｉ_２Ｏ・５Ａｌ_２Ｏ_３、ブレーン比表面積5000cm²／g
刺激剤Ａ、Ｂ、Ｃを作製するにあたり、ＣａＯ原料として石灰石、Ａｌ_２Ｏ_３原料として酸化アルミニウム、Ｒ_２Ｏ原料として炭酸ソーダ、Ｋ_２Ｏ原料として炭酸カリウム、Ｌｉ_２Ｏ原料として炭酸リチウムを使用し、電気炉で焼成した。焼成温度は１４００℃、焼成時間は１.５時間とした。
刺激剤Ｄ：水酸化ナトリウム水溶液（濃度35%）
刺激剤Ｅ：水ガラス1号、市販品
細骨材：ケイ砂
水：水道水

＜測定方法＞
可使時間：練り上がり温度から１℃上昇した時点とした。
圧縮強度：JIS R 5201に準じて測定した。
型枠からの剥離性：成形型枠に結合材が付着せずに離型できたものを○、成形型枠に結合材がほとんど付着せずに離型できたものを△、成形型枠に結合材が付着して離型できなかったものを×として評価した。
安全性：OECD TG 404 1 急性皮膚刺激性／腐食性に準じて一次刺激性インデックス(P.I.I.)から、「無刺激性」（無）、「弱い刺激性」（弱）、「中等度の刺激性」（中）、「強い刺激性」（強）の四段階で評価。

表１より、本発明の刺激剤を使用した場合は、十分な可使時間を確保でき、強度発現性が良好で、型枠の剥離性も良く、安全性の高いことがわかる。一方、従来技術では、可使時間が十分に確保できず、強度発現性も十分でなく、型枠の剥離性も悪く、安全性の低いことがわかる。

本発明の結合材組成物は、十分な可使時間を確保でき、強度発現性が良好で、型枠の剥離性もよく、安全性も高いため、土木および建築用途に広範に利用できる。中でも、コンクリート二次製品、マスコンクリート、化学的侵食作用を受ける構造物への利用等に好適である。

Claims

水酸化ナトリウムを含まず、高炉スラグ微粉末と、３ＣａＯ・２Ｒ_２Ｏ・５Ａｌ_２Ｏ_３とを含有することを特徴とする結合材組成物。
さらに、フライアッシュを含むことを特徴とする請求項１に記載の結合材組成物。
Ｒ_２ＯがＮａ_２Ｏ及び／又はＫ_２Ｏであることを特徴とする請求項１又は２に記載の結合材組成物。
結合材組成物１００部中、３ＣａＯ・２Ｒ_２Ｏ・５Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が１〜１０部であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の結合材組成物。
フライアッシュと高炉スラグ微粉末の配合割合が、１０／９０〜９０／１０の範囲にあることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の結合材組成物。
３ＣａＯ・２Ｒ_２Ｏ・５Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の結合材組成物用刺激剤。