JP2020186137A - ゾノトライト軽量気泡コンクリートパネルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 より高い強度を有するＡＬＣパネルを製造することが可能なゾノトライト軽量気泡コンクリートパネルの製造方法を提供する。【解決手段】 ケイ酸質原料粉末、石灰質原料粉末に水を加えて調製したスラリーに金属アルミニウム粉末を添加して発泡及び硬化させる硬化工程と、該硬化工程で得た半硬化体を例えば雰囲気温度４０℃を超え８０℃以下の温度条件下で保持する前養生処理を行うか、若しくは該半硬化体に水和促進剤を添加して保持する前養生処理を行うか、又はこれら前養生処理を両方とも行うことでモノサルフェートを生成する前養生工程と、該前養生工程で得た中間体をオートクレーブに装入して水熱養生する水熱養生工程とを有する。【選択図】 なし

Description

本発明は、水熱反応により生成されるゾノトライト軽量気泡コンクリートパネルの製造方法に関する。

ＡＬＣ（Ａｕｔｏｃｌａｖｅｄ Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ａｅｒａｔｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ）は耐火性や遮音性などの優れた性能を有しているため、建築物の間仕切りや外壁材等の建築部材として広く利用されている。このＡＬＣは、主原料として、セメント、ケイ石、石灰、及びアルミ粉末を所定の割合で配合し、更に水を加えて調製したスラリーを型枠内に流し込んで半硬化体を形成した後、オートクレーブに装入して水熱養生を行うことにより生成することができる。

このようにして生成されるＡＬＣは、ケイ酸カルシウム水和物である組成式５ＣａＯ・６ＳｉＯ_２・５Ｈ_２Ｏで表わされるトバモライト（略記：Ｃ_５Ｓ_６Ｈ_５）が主成分として含まれているが、組成式６ＣａＯ・６ＳｉＯ_２・Ｈ_２Ｏで表わされるゾノトライト（略記：Ｃ_６Ｓ_６Ｈ）は、トバモライトよりも分解温度が高いケイ酸カルシウム水和物であるため、ゾノトライトがＡＬＣに含まれることで耐火性をより一層高めることが期待できる。

すなわち、ゾノトライトは、上記組成式からも分かるように結晶水がトバモライトよりも少ないため、トバモライトに比べて分解温度が高く、１０００℃程度の高温でも熱収縮が少ないという特徴を有している。また、ゾノトライトは一次粒子を中空状の二次粒子に成長させた後、これらを硬化させることで生成され、これにより得られる成形体は、無数の針状の結晶が三次元的に絡み合った形態を有するため、軽量で強度が高いという特徴を有している。

例えば特許文献１には、原料として、ポルトランドセメント及び生石灰からなる石灰質原料と、珪酸質原料と、石膏とをＣａＯ／ＳｉＯ_２のモル比が０.６〜０.８、且つＡｌ／（Ａｌ＋Ｓｉ）の原子比が５％以下となるように配合して得た混合原料に水、発泡剤、及び界面活性剤を添加し、得られたスラリーを型枠に鋳込んで半硬化体を生成した後、これをオートクレーブに装入して水蒸気養生を行うことでゾノトライト生成率を高めたＡＬＣを製造する技術が開示されている。

特開２００７−１６９１３３号公報

上記の特許文献１に記載されているように、原料に含まれるＣａＯやＳｉＯ_２の割合を調整したり、Ａｌ＋ＳｉとＡｌの原子比を調整したりすることで圧縮強度を高めたＡＬＣを製造することが可能になる。しかしながら、近年、より耐熱性に優れた、すなわち熱収縮が小さくてひび割れの生じにくいＡＬＣパネルに対する需要が高まっており、上記特許文献１の技術で作製したＡＬＣパネルは、かかる要望に対応できないことがあった。本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、より高い強度を有するＡＬＣパネルを製造することが可能なゾノトライト軽量気泡コンクリートパネルの製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係るゾノトライト軽量気泡コンクリートパネルの製造方法は、ケイ酸質原料粉末、石灰質原料粉末に水を加えて調製したスラリーに金属アルミニウム粉末を添加して発泡及び硬化させる硬化工程と、該硬化工程で得た半硬化体を前養生することでモノサルフェートを生成する前養生工程と、該前養生工程で得た中間体をオートクレーブに装入して水熱養生する水熱養生工程とを有することを特徴としている。

本発明によれば、より高い強度を有するＡＬＣパネルを提供することが可能になる。

半硬化体を様々な温度条件で前養生することで得た実施例１の中間体試料１Ａ〜３ＡのＸＲＤパターンを示すグラフである。 実施例１の中間体試料１Ａ〜３Ａを水熱養生することで得たＡＬＣ試料１Ｂ〜３ＢのＸＲＤパターンを示すグラフである。 半硬化体に水和促進剤を添加して様々な温度条件で前養生することで得た実施例２の中間体試料４Ａ〜７ＡのＸＲＤパターンを、図１の中間体試料１Ａ及び３Ａと共に示すグラフである。 実施例２の中間体試料４Ａ〜７Ａを水熱養生することで得たＡＬＣ試料４Ｂ〜７ＢのＸＲＤパターンを、図２のＡＬＣ試料１Ｂ及び３Ｂと共に示すグラフである。

以下、本発明のゾノトライト軽量気泡コンクリートパネルの製造方法の第１の実施形態について説明する。この本発明の第１の実施形態のゾノトライト軽量気泡コンクリートパネルの製造方法は、ケイ酸質原料粉末及び石灰質原料粉末に水を加えて調製したスラリーに金属アルミニウム粉末を添加して発泡及び硬化させる硬化工程と、該硬化工程で得た半硬化体を所定の温度条件で前養生する前養生工程と、該前養生された半硬化体をオートクレーブに装入して水熱養生する水熱養生工程とからなる。

これにより、上記前養生工程において、組成式３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＳＯ_４・１２Ｈ_２Ｏで表わされるモノサルフェート（以降、ＡＦｍとも称する）を生成することができるので、後工程の水熱養生工程において、トバモライトの生成を抑制しつつゾノトライトの生成を促進することができる。その結果、生成される軽量気泡コンクリートにおいてトバモライトに対するゾノトライトの含有割合を増加させることができるので、従来の軽量気泡コンクリートパネルに比べて強度の高い軽量気泡コンクリートパネルを作製することができる。

上記の各工程について次に詳細に説明する。先ず硬化工程において、主原料としてケイ酸質原料粉末及び石灰質原料粉末を所定の配合割合となるように調合した後、所定量の水を加えてスラリーにする。上記のケイ酸質原料粉末には、例えば、珪石、珪砂、ケイ藻土、チャートなどを用いることができる。一方、石灰質原料粉末には、ポルトランドセメントなどのセメント、生石灰、及び消石灰のうちの１種類以上を用いることができる。上記の原料には、更に石膏や繊維質物質が含まれていてもよい。上記にて調製したスラリーに更に金属アルミニウム粉末を添加した後、型枠に流し込んで発泡及び硬化させることで半硬化体が得られる。

次に、上記硬化工程で得た半硬化体に対して、雰囲気温度４０℃を超え８０℃以下の温度条件下で好適には１０〜３０時間保持する前養生処理を施す。この前養生処理することで得た中間体に対して必要に応じて乾燥処理を行った後、ピアノ線等でパネル状に切断してからオートクレーブに装入し、好適には１９０〜２６０℃の水蒸気雰囲気で水熱養生（オートクレーブ養生とも称する）を行う。これにより、ゾノトライトを含んだケイ酸カルシウム水和物からなる軽量気泡コンクリートパネルが得られる。

このように、本発明の第１の実施形態のゾノトライト軽量気泡コンクリートパネルの製造方法においては、硬化工程で得た半硬化体に対して、水熱養生処理を施す前に所定の温度条件で前養生処理を施すものである。これにより、ＡＦｍ相を生成させることができるので、後工程の水熱養生工程においてトバモライトの生成が抑制され、相対的にゾノトライトの含有割合を増加させることが可能になる。

なお、上記の前養生処理時の雰囲気温度が４０℃以下では、温度が低すぎるのでＡＦｍが生成されにくくなる。逆に雰囲気温度が８０℃を超えると加熱に要するエネルギーが増大しすぎるので不経済になる。また、上記の前養生処理の処理時間が１０時間未満では該前養生処理の処理時間が短すぎてＡＦｍの生成が不十分になる。逆に処理時間が３０時間を超えてもそれ以上ＡＦｍは生成されないので生産性が低下する。

次に、本発明のゾノトライト軽量気泡コンクリートパネルの製造方法の第２の実施形態について説明する。この本発明の第２の実施形態のゾノトライト軽量気泡コンクリートパネルの製造方法は、上記の第１の実施形態のゾノトライト軽量気泡コンクリートパネルの製造方法と同様に半硬化体を生成する硬化工程と、得られた半硬化体に塩化カルシウム及び亜硝酸カルシウムのうちの少なくとも一方からなる水和促進剤を添加して前養生する前養生工程と、該前養生された半硬化体をオートクレーブに装入して水熱養生する水熱養生工程とからなる。

この本発明の第２の実施形態における前養生工程においては、上記のセメント１００質量部に対して上記の水和促進剤を５〜１５質量部添加するのが好ましい。また、前養生工程の保持時間は１０〜３０時間が好ましい。更に、上記の水和促進剤を添加した上、更に雰囲気温度４０℃を超え８０℃以下の温度条件下で養生するのがより好ましい。上記の水和促進剤の添加量が５質量部未満では、水和促進剤の添加によるＡＦｍ生成の効果がほとんど生じなくなる。逆に１５質量部を超えて水和促進剤を添加しても、それ以上ＡＦｍは生成されないので不経済になる。

このように、本発明の第２の実施形態のゾノトライト軽量気泡コンクリートパネルの製造方法においては、硬化工程で得た半硬化体に対して、水熱養生工程で処理する前に水和促進剤を添加し、好適には高温の雰囲気温度で前養生を施すものである。これにより、ＡＦｍ相を生成させることができるので、後工程の水熱養生工程においてトバモライトの生成が抑制され、相対的にゾノトライトの含有割合を増加させることが可能になる。

このように、原料粉末にセメントを多く利用した場合、該セメント中のＡｌ_２Ｏ_３成分によって水熱養生時のゾノトライトの生成が阻害されることが指摘されているが、水熱養生を行う前に、高温雰囲気で前養生処理を行うか、若しくは塩化カルシウムや亜硝酸カルシウムなどの水和促進剤を添加して前養生処理を行うか、又は該水和促進剤を添加した上で高温雰囲気で前養生処理を行うことで、モノサルフェートの生成が促進され、これにより後工程の水熱養生の際にトバモライトの生成が抑制されて相対的にゾノトライトの含有割合を増加させることができる。

［実施例１］
早強ポルトランドセメント、ケイ石、生石灰、及び消石灰（Ｃａ(ＯＨ)_２）を配合して得た粉末原料に、水と発泡剤としてのアルミ粉末を添加することで反応を生じさせて半硬化体を生成した後、前養生及び水熱養生を行ってゾノトライトを含んだ軽量気泡コンクリートパネルを作製した。そして、該前養生がゾノトライトの生成に及ぼす影響について調べた。

具体的には、上記粉末原料の配合の際、ＳｉとＡｌとの合計に対するＡｌのモル比（以降、Ａ／Ｓ）が０.０２〜０.０４であって、ＳｉとＡｌとの合計に対するＣａのモル比（以降、Ｃａ／Ｓｉ）が１程度であればゾノトライトの生成が可能であるので、Ａ／Ｓを０.０４に調整すると共にＣａ／Ｓｉを１.０に調整した。このようにして配合した粉末原料に、発泡剤としてのアルミ粉末を、添加後の粉体全体に対してアルミ粉末が０.０７質量％を占める量を添加し、更に水Ｗに対する固形分Ｐの質量比（以降、Ｗ／Ｐ）が０.６７となるように水を添加して混練した。なお、早強ポルトランドセメントには下記表１に示す鉱物組成を有するものを用いた。

得られた混練体を３つに小分けし、それぞれ雰囲気温度２０℃、４０℃、及び６０℃で２０時間かけて前養生を行った。この２０時間の前養生経過後、これら前養生により得た３つの中間体からそれぞれ一部をサンプリングし、アセトン中に投入して攪拌することで速やかに水和反応を停止させて前養生済みの中間体試料１Ａ〜３Ａを作製した。一方、残余の３つの中間体を雰囲気温度２２０℃で２４時間かけて水熱養生を行い、前養生及び水熱養生済みのＡＬＣ試料１Ｂ〜３Ｂを作製した。

このようにして作製した中間体試料１Ａ〜３Ａ及びＡＬＣ試料１Ｂ〜３Ｂに対して、それぞれ粉末Ｘ線回折装置（以降、ＸＲＤ）を用いて分析した。前者の中間体試料１Ａ〜３Ａの分析結果を図１に、後者のＡＬＣ試料１Ｂ〜３Ｂの分析結果を図２に示す。この図１の分析結果から、前養生温度がそれぞれ２０℃及び４０℃の中間体試料１Ａ及び２Ａでは、エトリンガイト（ＡＦｔ）の生成が確認されたが、モノサルフェート（ＡＦｍ）の生成はみられなかった。一方で、前養生温度６０℃の中間体試料３Ａでは、エトリンガイト（ＡＦｔ）の生成量は減少しており、モノサルフェート（ＡＦｍ）の生成が確認された。

また、図２の分析結果から、２０℃から６０℃へ前養生温度を増加させることでトバモライトのピーク強度は減少しており、トバモライトの生成が前養生温度の上昇に伴い抑制されているものと考えられる。一方で、ゾノトライトのピーク強度は前養生温度が上昇してもほとんど変化しておらず、ゾノトライトの生成量は前養生温度の影響を受けにくいものと推察される。すなわち、より高温の雰囲気温度で前養生を行うことによりＡＦｍ相の生成が促進され、よって水熱養生の際にトバモライトを生成が抑制されるので、ゾノトライトの含有割合を相対的に高めることが可能になる。

［実施例２］
前養生工程の段階でＡＦｍ相の生成が期待される水和促進剤の添加による水熱反応の影響について検討を行うべく、実施例１と同様にして生成した混練体を４つに小分けし、それらの内の２つには、早強ポルトランドセメント、生石灰、及び消石灰のセメント分の合計１００質量部に対して１０質量部のＣａＣｌ_２を添加し、残る２つには早強ポルトランドセメント１００質量部に対して１０質量部の亜硝酸カルシウム（以降、ＣＮとも称する）を添加した。なお、上記の水和促進剤には、特級試薬の塩化カルシウム及び１級試薬の亜硝酸カルシウムを用いた。

そして、ＣａＣｌ_２を添加した２つの混練体を、それぞれ雰囲気温度２０℃及び６０℃で２０時間かけて前養生を行った。同様に、ＣＮを添加した２つの混練体を、それぞれ雰囲気温度２０℃及び６０℃で２０時間かけて前養生を行った。以降は実施例１と同様にした。すなわち、該２０時間の前養生経過後に前養生により得た４つの中間体からそれぞれ一部をサンプリングし、アセトン中に投入して攪拌することで速やかに水和反応を停止させて前養生済みの中間体試料４Ａ〜７Ａを作製した。一方、残余の４つの中間体を雰囲気温度２２０℃で２４時間かけて水熱養生を行い、前養生及び水熱養生済みのＡＬＣ試料４Ｂ〜７Ｂを作製した。

このようにして作製した中間体試料４Ａ〜７Ａ及びＡＬＣ試料４Ｂ〜７Ｂに対して、それぞれＸＲＤを用いて分析した。前者の中間体試料４Ａ〜７Ａの分析結果を上記実施例１の中間体試料１Ａ及び３Ａと共に図３に、後者のＡＬＣ試料４Ｂ〜７Ｂの分析結果を上記実施例１のＡＬＣ試料１Ｂ及び３Ｂと共に図４に示す。この図３の分析結果から、ＣａＣｌ_２を加えた中間体試料４Ａ〜５Ａではフリーデル氏塩（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＣｌ_２・１０Ｈ_２Ｏ）のピークが、ＣＮを加えた中間体試料６Ａ〜７Ａでは亜硝酸型のＡＦｍ相（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・Ｃａ(ＮＯ_２)_２・１２Ｈ_２Ｏ）のピークが検出された。

中間体試料４Ａ及び５Ａあるいは中間体試料６Ａ及び７Ａを比べることで分かるように、前養生温度が６０℃の場合は２０℃よりもＡＦｍ系の生成量が増加している。また、前養生温度が２０℃の中間体試料１Ａ、４Ａ及び６Ａを比べることで分かるように、中間体試料４Ａ及び６Ａは、無添加の中間体試料１ＡよりもＡＦｍ相の生成量が増加している。

また、図４の分析結果から、添加剤を加えたＡＬＣ試料４Ｂ〜７Ｂでは、２０℃の前養生であっても無添加６０℃のＡＬＣ試料３Ｂとほぼ同程度のゾノトライトのピーク強度が確認された。一方で、トバモライトの生成は確認できなかった。以上の結果から、ＡＦｍ相の生成がトバモライトの生成量減少に影響を与えることが分かった。

表２にＡＬＣ試料３Ｂ、５Ｂ及び７ＢのＣ_３Ｓ、ＳｉＯ_２の反応率、及び強熱減量を示す。Ｃ_３Ｓ、ＳｉＯ_２の反応率は全て９０％以上の反応率を示している。また、添加剤を加えた試料５Ｂ及び７Ｂの強熱減量は無添加の試料３Ｂよりも低い値であった。これはゾノトライト（Ｃ_６Ｓ_６Ｈ）よりも結合水の多いトバモライト（Ｃ_５Ｓ_６Ｈ_５）の生成量が減少することに由来すると考察できる。なお、Ｃ_３Ｓ及びＳｉＯ_２の反応率は、作製した試料を粉末Ｘ線回折内部標準法により未反応量を定量することで算出した。定量に使用したピークはＣ_３Ｓ：２θ＝４１.１２°［０２３］、ＳｉＯ_２：２θ＝２６.６４°［０１１］である。ケイ酸カルシウム水和物の生成量の算出は、サンプルを１０℃／ｍｉｎで上限温度を１０００℃とし、空気雰囲気中の条件においてＴＧ−ＤＴＡで測定した。

Claims (4)

1. ケイ酸質原料粉末、石灰質原料粉末に水を加えて調製したスラリーに金属アルミニウム粉末を添加して発泡及び硬化させる硬化工程と、該硬化工程で得た半硬化体を前養生することでモノサルフェートを生成する前養生工程と、該前養生工程で得た中間体をオートクレーブに装入して水熱養生する水熱養生工程とを有することを特徴とするゾノトライト軽量気泡コンクリートパネルの製造方法。
2. 前記前養生工程が、前記硬化工程で得た半硬化体を雰囲気温度４０℃を超え８０℃以下の温度条件下で保持する処理であることを特徴とする、請求項１に記載のゾノトライト軽量気泡コンクリートパネルの製造方法。
3. 前記前養生工程が、前記硬化工程で得た半硬化体に水和促進剤を添加して保持する処理であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のゾノトライト軽量気泡コンクリートパネルの製造方法。
4. 前記水和促進剤が塩化カルシウム及び亜硝酸カルシウムのうちの少なくとも一方であることを特徴とする、請求項３に記載のゾノトライト軽量気泡コンクリートパネルの製造方法。

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