JP2021160952A - セメント組成物及びセメント組成物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物であって、石膏粉末及びフライアッシュによって強度発現性が高まるセメント組成物を提供する。【解決手段】セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末Ｌ及びフライアッシュＡを含む混合物Ｍからなるセメント組成物である。石灰石粉末Ｌ及びフライアッシュＡは、混合物Ｍにおいて合計で10.0質量％以下の割合で含まれている。前記石膏粉末は、混合物ＭにおいてSO3換算で0.6質量％以上2.4質量％以下の割合で含まれている。好ましくは、前記セメントクリンカ粉末のSO3含有率が0.80質量％以上であり、前記石膏粉末が混合物ＭにおいてSO3換算で1.0質量％以上の割合で含まれている。【選択図】図１
Description
本発明は、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物、並びに、このセメント組成物の製造方法に関する。
セメント組成物は、一般的には、「セメントクリンカ粉末、石膏粉末及び混合材粉末」を含む混合物からなる。下記特許文献１（実施例１４）には、この混合材粉末として石灰石粉末及びフライアッシュを用いたセメント組成物が開示されている。
ところで、近年では、セメント焼成装置からの二酸化炭素排出量を少なく抑えるため、セメント焼成装置におけるセメントクリンカ製造量を低減し、セメント組成物においてセメントクリンカ粉末の含有量を低減して石膏粉末含有量又はフライアッシュ含有量を増加させることが検討されている。しかし、このようにセメント組成物において石膏粉末含有量又はフライアッシュ含有量が増加すると、セメント組成物の組成によってはセメント組成物の強度発現性が充分に高くならないおそれがある。
そこで、セメント組成物の強度発現性を充分に高くするために、セメント焼成工程においてセメントクリンカの品質（例えば、セメントクリンカにおける複数の鉱物それぞれの組成）を調整することが考えられる。しかし、このような調整を行う場合には、セメントキルンにさらに多くの燃料を投入する必要が生じるため、セメント焼成装置におけるセメントクリンカ製造量を低減しても、セメント焼成装置からの二酸化炭素排出量が増加するおそれがある。
そこで、本発明は、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物であって、石膏粉末及びフライアッシュによって強度発現性が高まるセメント組成物を提供することを目的とする。
本発明の第一項目は、次のようなセメント組成物に係るものである。このセメント組成物は、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなる。前記石灰石粉末及び前記フライアッシュは、前記混合物において合計で10.0質量％以下の割合で含まれている。前記石膏粉末は、前記混合物においてSO3換算で0.6質量％以上2.4質量％以下の割合で含まれている。
上記第一項目によれば、石灰石粉末及びフライアッシュが混合物において合計で10.0質量％以下の割合で含まれており、かつ、混合物において石膏粉末がSO3換算で2.4質量％以下の割合で含まれているため、混合物において石膏粉末並びに混合材粉末（石灰石粉末及びフライアッシュ）が少量含まれていることになる。その上で、混合物において石膏粉末がSO3換算で0.6質量％以上の割合で含まれている。このため、この混合物を水と混練すると、石膏粉末に含まれるSO3によりフライアッシュの水和反応が効果的に促進され、高強度のセメント混練物を製造することができる。つまり、上記第一項目に係るセメント組成物は、混合物に含まれる石膏粉末及びフライアッシュにより混合物の強度発現性が高まるものである。
本発明の第二項目は、上記第一項目において次の内容を含むものである。すなわち、前記セメントクリンカ粉末のSO3含有率は0.80質量％以上（好ましくは0.94質量％以上）である。前記石膏粉末は、前記混合物においてSO3換算で1.0質量％以上の割合で含まれている。
上記第二項目によれば、混合物を水と混練すると、石膏粉末に含まれる多くのSO3によりセメントクリンカ粉末中のアルミネートの急激な水和（瞬結）が抑制されるため、セメントクリンカ粉末に含まれるアルミネートは石灰石粉末と反応する。これにより、セメントクリンカ粉末から多くのSO3が溶出されるため、セメントクリンカ粉末から排出された多くのSO3によりフライアッシュの水和が促進し、高強度のセメント混練物が製造される。つまり、上記第二項目に係るセメント組成物は、混合物に含まれる石膏粉末及びフライアッシュにより混合物の強度発現性がさらに高まるものである。
なお、第二項目は、セメントクリンカ粉末における複数の鉱物それぞれの組成範囲を特定したものではなく、セメントクリンカ粉末における単一の化学成分(SO3)の含有率を特定したものである。そして、第二項目におけるセメントクリンカ粉末（SO3含有率が0.80質量％以上のもの）は、セメント焼成装置においてSO3含有率が高い廃棄物をセメント原料として使用することにより簡便に製造可能なものであり、セメントキルンに多くの燃料を投入してセメントクリンカの品質調整を行わなくても製造可能なものである。よって、第二項目は、セメントクリンカ粉末の製造工程において多量の二酸化炭素を排出するものではない。
本発明の第三項目は、上記第二項目において次の内容を含むものである。すなわち、第三項目の混合物においては、SO3含有率が0.56質量％以下であるセメントクリンカ粉末が含まれていない。
上記第三項目によれば、SO3含有率が0.56質量％以下であるセメントクリンカ粉末が混合物に含まれていないため、SO3含有率が0.80質量％以上であるセメントクリンカ粉末の割合（混合物における含有率）が相対的に高まる。ここで、SO3含有率が0.56質量％以下であるセメントクリンカ粉末は、水と混練されてもフライアッシュの水和を促進させるだけの量のSO3を溶出させることができない。よって、上記第三項目に係るセメント組成物は、セメントクリンカ粉末全量に対する「フライアッシュの水和を促進させるセメントクリンカ粉末」の割合が高いものであり、混合物に含まれる石膏粉末及びフライアッシュにより混合物の強度発現性がさらに高まるものである。
本発明の第四項目は、上記第一項目〜上記第三項目のいずれか一つにおいて次の内容を含むものである。すなわち、前記セメントクリンカ粉末に含まれるSO3をクリンカSO3と定義し、前記石膏粉末に含まれるSO3を石膏SO3と定義し、前記混合物に対する前記クリンカSO3の割合をＳ１質量％と定義し、前記混合物に対する前記石膏SO3の割合をＳ２質量％と定義した場合において、前記Ｓ１質量％と前記Ｓ２質量％との合計値が1.90質量％以上（好ましくは2.05質量％以上）であり、かつ、前記Ｓ１質量％に対する前記Ｓ２質量％の割合が0.90以上3.00以下（好ましくは0.998以上2.837以下）である。
上記第四項目によれば、混合物において、多くのクリンカSO3と多くの石膏SO3とが互いに均衡して含まれている。このため、この混合物を水と混練すると、混練初期段階においては石膏粉末から石膏SO3が溶出し、混練初期段階経過後においてはセメントクリンカ粉末からクリンカSO3が溶出する。これにより、混練段階において、石膏粉末及びセメントクリンカ粉末から途切れることなく連続的にSO3が溶出し、このSO3により途切れることなく連続的にフライアッシュの水和が促進する。つまり、上記第四項目に係るセメント組成物は、混合物に含まれる石膏粉末及びフライアッシュにより混合物の強度発現性がさらに高まるものである。
本発明の第五項目は、上記第一項目〜上記第四項目のいずれか一つにおいて次の内容を含むものである。前記セメントクリンカ粉末のTiO2含有率、MnO含有率、P2O5含有率、Na2O含有率及びK2O含有率をそれぞれＴ質量％、Ｍ質量％、Ｐ質量％、Ｎ質量％及びＫ質量％と定義した場合における前記セメントクリンカ粉末の物性値「（Ｔ＋Ｍ＋Ｐ）／（Ｎ＋0.658×Ｋ）」が0.80以上1.40以下である。
上記第五項目によれば、セメントクリンカ粉末の水和時にセメントクリンカ粉末に含まれるSO3をセメントクリンカ粉末の外部に溶出することを促進する促進要素（Na2O及びK2O）と阻害する阻害要素（TiO2、MnO及びP2O5）とがセメントクリンカ粉末において均等に含まれることになる。このため、上記セメント組成物を水と混練すると（このセメント組成物に含まれるセメントクリンカ粉末が水和すると）、上記促進要素によって多くのSO3がセメントクリンカ粉末から溶出され、かつ、セメントクリンカ粉末からのSO3の溶出速度が過剰に速くなることが上記阻害要素により抑制されるため、セメントクリンカ粉末に含まれる多くのSO3が長時間にわたって徐々にセメントクリンカ粉末から溶出される。つまり、上記セメント組成物を水と混練すると、セメントクリンカ粉末から溶出される多くのSO3と石灰石粉末及びフライアッシュとを徐々に反応させることができるため、高い強度及び長時間にわたる高い流動性を発揮するセメント混練物を製造することができる。
本発明の第六項目は、次のようなセメント組成物の製造方法に係るものである。この製造方法は、仕上工程及び混合工程を備えている。前記仕上工程において、セメントクリンカを石膏と共に粉砕して混合粉末を製造する。前記混合工程において、前記混合粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを混合してセメント組成物を製造する。前記石灰石粉末及び前記フライアッシュは、前記セメント組成物において合計で10.0質量％以下の割合で含まれている。前記石膏の粉末は、前記セメント組成物においてSO3換算で0.6質量％以上2.4質量％以下の割合で含まれている。
上記第六項目によれば、石灰石粉末及びフライアッシュがセメント組成物において合計で10.0質量％以下の割合で含まれており、かつ、セメント組成物において石膏粉末がSO3換算で2.4質量％以下の割合で含まれているため、セメント組成物において石膏粉末並びに混合材粉末（石灰石粉末及びフライアッシュ）が少量含まれていることになる。その上で、セメント組成物において石膏粉末がSO3換算で0.6質量％以上の割合で含まれている。このため、このセメント組成物を水と混練すると、石膏粉末に含まれるSO3によりフライアッシュの水和反応が効果的に促進され、高強度のセメント混練物を製造することができる。つまり、上記第六項目によれば、石膏粉末及びフライアッシュにより強度発現性が高まるセメント組成物を製造することができる。
本発明の第七項目は、上記第六項目において焼成工程をさらに備えるものである。当該焼成工程において、廃石膏ボードをセメント原料として前記セメントクリンカを製造する。
上記第七項目によれば、廃石膏ボードに含まれるSO3を利用してセメント組成物の強度発現性を高めることができ、廃石膏ボードをセメント組成物の原料として有効に利用することができる。
以上のように、本発明によれば、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物であって、石膏粉末及びフライアッシュによって強度発現性が高まるセメント組成物を提供することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係るセメント組成物を製造するためのセメント製造装置１を示す全体構成図である。図１に示すように、セメント製造装置１は、クリンカサイロ２、仕上ミル３、分級装置４、混合装置５及びセメントサイロ６を備える。クリンカサイロ２は、セメント焼成装置（不図示）から排出されるクリンカ（不図示）を貯蔵する。仕上ミル３は、クリンカサイロ２から排出されるクリンカＣを石膏Ｇと共に粉砕して粉砕物Ｄ（混合粉末）を製造する。分級装置４は、仕上ミル３から排出される粉砕物Ｄを分級して粗粉Ｒと微粉Ｆとに分離する。混合装置５は、分級装置４から排出される微粉Ｆを石灰石粉末Ｌ及びフライアッシュＡと共に混合し、混合物Ｍ（セメント組成物）を製造する。セメントサイロ６は、混合装置５から排出される混合物Ｍを貯蔵する。また、分級装置４は、粗粉Ｒを仕上ミル３に戻す。仕上ミル３は、分級装置４から粗粉Ｒを戻された場合には、クリンカＣを石膏Ｇ及び粗粉Ｒと共に粉砕して粉砕物Ｄを製造する。
本発明の一実施形態に係るセメント組成物は、クリンカＣの粉末、石膏Ｇの粉末、石灰石粉末Ｌ及びフライアッシュＡを含む混合物Ｍからなる。石灰石粉末Ｌ及びフライアッシュＡは、混合物Ｍにおいて合計で10.0質量％以下の割合で含まれている。石膏Ｇの粉末は、混合物ＭにおいてSO3換算で0.6質量％以上2.4質量％以下の割合で含まれている。好ましくは、クリンカＣの粉末のSO3含有率が0.80質量％以上（好ましくは0.94質量％以上）であり、石膏Ｇの粉末が混合物ＭにおいてSO3換算で1.0質量％以上の割合で含まれている。さらに好ましくは、混合物Ｍにおいて、SO3含有率が0.56質量％以下であるセメントクリンカ粉末が含まれていない。
クリンカＣの粉末に含まれるSO3をクリンカSO3と定義し、石膏Ｇの粉末に含まれるSO3を石膏SO3と定義し、混合物Ｍに対するクリンカSO3の割合をＳ１質量％と定義し、混合物Ｍに対する石膏SO3の割合をＳ２質量％と定義した場合、本発明の一実施形態に係るセメント組成物において、Ｓ１質量％とＳ２質量％との合計値が1.90質量％以上（好ましくは2.05質量％以上）であり、かつ、Ｓ１質量％に対するＳ２質量％の比（割合）が0.90以上3.00以下（好ましくは0.998以上2.837以下）であることが好ましい。
好ましくは、クリンカＣの粉末（粉砕物Ｄに含まれるもの）のTiO2含有率、MnO含有率、P2O5含有率、Na2O含有率及びK2O含有率をそれぞれＴ質量％、Ｍ質量％、Ｐ質量％、Ｎ質量％及びＫ質量％と定義した場合におけるクリンカＣの粉末の物性値「（Ｔ＋Ｍ＋Ｐ）／（Ｎ＋0.658×Ｋ）」が0.80以上1.40以下である。
上述したように、本発明の一実施形態に係るセメント組成物の製造方法は、仕上工程（図１に示す仕上ミル３による粉砕工程）及び混合工程（図１に示す混合装置５による混合工程）を備えている。上記仕上工程においては、セメントクリンカ（図１に示すクリンカＣ）を石膏（図１に示す石膏Ｇ）と共に粉砕して混合粉末（図１に示すクリンカＣ及び石膏Ｇの混合粉末であって粉砕物Ｄに含まれるもの）を製造する。上記混合工程においては、混合粉末（図１に示すクリンカＣ及び石膏Ｇの混合粉末であって微粉Ｆに含まれるもの）、石灰石粉末（図１に示す石灰石粉末Ｌ）及びフライアッシュ（図１に示すフライアッシュＡ）を混合してセメント組成物（図１に示す混合物Ｍ）を製造する。なお、本発明に係るセメント組成物の製造方法は、図１に示すセメント製造装置１を使用する方法に限定されるものではない。
また、本発明の一実施形態に係るセメント組成物の製造方法は、焼成工程（図１に示す製造装置１の前段において図１に示すクリンカＣを製造する工程）をさらに備えることもできる。この場合、この焼成工程において、廃石膏ボード（不図示）をセメント原料としてセメントクリンカ（図１に示すクリンカＣ）を製造する。
次に、本発明に係るセメント組成物の実験例について説明する。この実験例は、セメントクリンカ粉末(Cli1〜Cli6)、石膏粉末及び混合材粉末（石灰石粉末、フライアッシュ及び高炉スラグ粉末）を様々な割合で混合して様々なセメント組成物を製造し、これらセメント組成物それぞれから製造したセメント混練物の「材齢２８日の圧縮強さ」を測定したものである。表１〜表４は、この実験例において使用したセメント組成物の原料の組成又は物性を原料ごとに示している。表５〜表１１は、この実験例において製造したセメント組成物の組成と強度発現性との関係を実験例ごとに示している。表１２は、この実験例において製造したセメント組成物の物性値を実験例ごとに示している。
なお、表１〜表１２において、「クリンカ」とはセメントクリンカ粉末を意味しており、「石膏」とは石膏粉末を意味しており、「混合材」とは混合材粉末を意味しており、「石灰石」とは石灰石粉末を意味しており、かつ、「高炉スラグ」とは高炉スラグ粉末を意味している。
表１は、上記実験例において使用したセメントクリンカ粉末（図１に示すクリンカＣの粉末に相当）における各化合物の含有率（質量％）を示している。表１において、ig.loss(Ignition Loss)は、強熱原料（揮発性物質）を意味している。Na2Oeqは、全アルカリを意味している。全アルカリは、式「Na2O＋0.658×K2O」により算出される値である。f.CaOは、遊離酸化カルシウムを意味している。遊離酸化カルシウムとは、セメント原料を焼成した時に二酸化ケイ素や酸化アルミニウムと反応せずに残った酸化カルシウムをいう。
表２は、上記実験例において使用したセメントクリンカ粉末のモジュラスを示している。表２において、HM(Hydraulic Modulus)は水硬率を示しており、SM(Silica Modulus)はケイ酸率を示しており、IM(Iron Modulus)は鉄率を示しており、AI(Activity Index)は活動係数を示している。HMは、(SiO2+Al2O3+Fe2O3)に対するCaOの割合である。SMは、(Al2O3+Fe2O3)に対するSiO2の割合である。IMは、Fe2O3に対するAl2O3の割合である。AIは、Al2O3に対するSiO2の割合である。表２に示すように、上記実験例において使用したセメントクリンカ粉末のモジュラスは次の通りである。すなわち、HMが2.15以上2.21以下であり、SMが2.18以上2.42以下であり、IMが1.87以上2.18以下であり、AIが3.19以上3.70以下である。
また、表２は、上記実験例において使用したセメントクリンカ粉末の鉱物組成も示している。表２に示す鉱物組成は、ボーグ式(Bogue式)により算出したものである。表２において、C3Sはケイ酸三カルシウム(3CaO・SiO2)であり、C2Sはケイ酸二カルシウム(2CaO・SiO2)であり、C3Aはアルミン酸三カルシウム（3CaO・Al2O3）であり、C4AFは鉄アルミン酸四カルシウム(4CaO・Al2O3・Fe2O3)である。表２に示すように、上記実験例において使用したセメントクリンカ粉末の鉱物組成は次の通りである。すなわち、C3Sが55.2質量％以上62.0質量％以下であり、C2Sが12.7質量％以上18.6質量％以下であり、C3Aが10.1質量％以上12.2質量％以下であり、C4AFが9.1質量％以上9.6質量％以下である。
さらに、表２は、上記実験例において使用したセメントクリンカ粉末の物性値も示している。この物性値は、セメントクリンカ粉末における強度発現促進指標値に対する強度発現阻害指標値の割合を示している。この強度発現促進指標値は、セメントクリンカ粉末における全アルカリの含有率である。この強度発現阻害指標値は、セメントクリンカ粉末におけるTiO2、MnO及びP2O5の合計含有率（質量％）である。表２に示すように、この実験例において使用したセメントクリンカ粉末の上記物性値は、0.853以上1.326以下である。
表３は、上記実験例において使用した石灰石粉末、フライアッシュ及び高炉スラグ粉末の化学組成を示している。
表４は、上記実験例において使用した石灰石粉末、高炉スラグ粉末及びフライアッシュの比表面積（ブレーン比表面積）及び活性度指数を示している。ここで、活性度指数は、材齢28日の時点におけるものである。
表５〜表１１は、セメント組成物において使用したセメントクリンカ粉末の種類、セメント組成物のSO3換算石膏粉末含有率（質量％）、石灰石粉末含有率（質量％）、フライアッシュ含有率（質量％）、混合材粉末合計含有率（石灰石粉末、フライアッシュ及び高炉スラグ粉末の合計含有率：質量％）、並びに、得られたセメント組成物から製造したセメント混練物の「材齢28日における圧縮強さ(N/mm2)」の関係を示している。
表５において、実験例Ａ１〜Ａ４の組は次のことを示している。セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物において、石膏粉末含有率がSO3換算で0.6質量％以上2.4質量％以下であれば、セメント組成物の石膏粉末含有率が増加するにつれてセメント混練物の圧縮強さが増加する。実験例Ａ５〜Ａ８の組は次のことを示している。すなわち、実験例Ａ１〜Ａ４の組において石灰石粉末及びフライアッシュの合計含有率（混合材粉末合計含有率）を7.5質量％から10.0質量％にした場合であっても、セメント組成物の石膏粉末含有率が増加するにつれてセメント混練物の圧縮強さが増加する。
表５において、実験例Ａ９〜Ａ１２の組、実験例Ａ１３〜Ａ１６の組、実験例Ａ１７〜Ａ２０の組、実験例Ａ２１〜Ａ２４の組は、次のことを示している。すなわち、実験例Ａ１〜Ａ４の組、実験例Ａ５〜Ａ８の組においてクリンカの種類を変えた場合であっても、セメント組成物の石膏粉末含有率が増加するにつれてセメント混練物の圧縮強さが増加する（あるいは、セメント組成物の石膏粉末含有率が増加してもセメント混練物の圧縮強さが低下せずに維持される）。
表６において、実験例ａ１〜ａ２４の組は次のことを示している。すなわち、セメントクリンカ粉末、石膏粉末及び石灰石粉末を含む混合物からなるセメント組成物において、石膏粉末含有率がSO3換算で1.2質量％以上2.4質量％以下であっても、フライアッシュが含まれていなければ、セメント組成物の石膏粉末含有率または石灰石粉末含有率が増加するにつれてセメント混練物の圧縮強さが低下する。
以上により、表５及び表６に示す実験例から次の結論を導出することができる。すなわち、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物において、石灰石粉末及びフライアッシュが合計で10.0質量％以下の割合で含まれており、かつ、石膏粉末がSO3換算で0.6質量％以上2.4質量％以下の割合で含まれていれば、このセメント組成物を水と混練すると、石膏粉末に含まれるSO3によりフライアッシュの水和反応が効果的に促進され、高強度のセメント混練物を製造することができる。つまり、このようなセメント組成物は、混合物に含まれる石膏粉末及びフライアッシュにより混合物の強度発現性が高まるものである。
表７は、表５に示す実験例Ａ１〜Ａ２４を並び替えたものである。実験例Ａ１及びＡ５の組は次のことを示している。セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物において、石膏粉末含有率がSO3換算で0.6質量％であれば、セメント組成物のフライアッシュ含有率が増加するにつれてセメント混練物の圧縮強さが減少する。
一方、表７において、実験例Ａ２及びＡ６の組、実験例Ａ３及びＡ７の組、実験例Ａ４及びＡ８の組は、次のことを示している。すなわち、実験例Ａ１及びＡ５の組において石膏粉末含有率をSO3換算で1.2質量％、1.8質量％又は2.4質量％とした場合、セメント組成物のフライアッシュ含有率が増加するにつれてセメント混練物の圧縮強さが増加する。
表７において、実験例Ａ９及びＡ１３の組、実験例Ａ１０及びＡ１４の組、実験例Ａ１１及びＡ１５の組、実験例Ａ１２及びＡ１６の組、実験例Ａ１７及びＡ２１の組、実験例Ａ１８及びＡ２２の組、実験例Ａ１９及びＡ２３の組、実験例Ａ２０及びＡ２４の組は、次のことを示している。すなわち、実験例Ａ１及びＡ５の組においてセメントクリンカ粉末の種類を変えた場合であっても、石膏粉末含有率がSO3換算で0.6質量％であれば、セメント組成物のフライアッシュ含有率が増加するにつれてセメント混練物の圧縮強さが減少するし、石膏粉末含有率がSO3換算で1.2質量％以上2.4質量％以下であれば、セメント組成物のフライアッシュ含有率が増加するにつれてセメント混練物の圧縮強さが増加する。
表８において、実験例Ｂ１及びＢ２の組は次のことを示している。すなわち、表７に示す実験例Ａ１及びＡ５の組においてセメント組成物中の石膏粉末含有率をSO3換算で1.0質量％にした場合であっても、セメント組成物のフライアッシュ含有率が増加するにつれてセメント混練物の圧縮強さが増加する。
表９は、表６に示す実験例ａ１〜ａ２４を並び替えたものである。表９において、実験例ａ１〜ａ２４の組は次のことを示している。すなわち、セメントクリンカ粉末、石膏粉末及び石灰石粉末を含む混合物からなるセメント組成物において、混合材粉末合計含有率が10.0質量％以下であり、石膏粉末含有率がSO3換算で1.2質量％以上2.4質量％以下であっても、フライアッシュが含まれていなければ、セメント組成物の混合材粉末含有率が増加するにつれてセメント混練物の圧縮強さが低下する。
表１０において、実験例Ｃ１及びＣ２の組は次のことを示している。すなわち、表７に示す実験例Ａ２及びＡ６の組においてCli1に代えてCli5を使用する場合、石膏粉末含有率がSO3換算で1.2質量％であり、かつ、石灰石粉末及びフライアッシュの合計含有率（混合材粉末合計含有率）が10.0質量％以下であっても、セメント組成物のフライアッシュ含有率が増加するにつれてセメント混練物の圧縮強さが減少する。なお、表１に示すように、Cli1〜Cli4（実験例Ａ１〜Ａ２４及び実験例Ｂ１、Ｂ２において使用したセメントクリンカ粉末）のSO3含有率は0.94質量％以上であるのに対し、実験例Ｃ１及びＣ２において使用したCli5のSO3含有率は0.56質量％である。
以上により、表７〜表１０に示す実験例から次の結論を導出することができる。すなわち、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物において、石灰石粉末及びフライアッシュが合計で10.0質量％以下の割合で含まれており、石膏粉末がSO3換算で1.0質量％以上2.4質量％以下の割合で含まれており、セメントクリンカ粉末のSO3含有率が0.80質量％以上（厳格には0.94質量％以上）であれば、このセメント組成物を水と混練すると、石膏粉末に含まれる多くのSO3によりセメントクリンカ粉末中のアルミネートの急激な水和（瞬結）が抑制され、セメントクリンカ粉末に含まれるアルミネートは石灰石粉末と反応する。これにより、セメントクリンカ粉末から多くのSO3が溶出されるため、セメントクリンカ粉末から溶出された多くのSO3によりフライアッシュの水和が促進し、高強度のセメント混練物が製造される。つまり、このようなセメント組成物は、混合物に含まれる石膏粉末及びフライアッシュにより混合物の強度発現性がさらに高まるものである。
さらに、SO3含有率が0.56質量％以下であるセメントクリンカ粉末は、水と混練されてもフライアッシュの水和を促進させるだけの量のSO3を溶出させることができない。このため、SO3含有率が0.56質量％以下であるセメントクリンカ粉末がセメント組成物に含まれていないと、このセメント組成物においてセメントクリンカ粉末全量に対する「フライアッシュの水和を促進させるセメントクリンカ粉末」の割合が高くなり、セメント組成物に含まれる石膏粉末及びフライアッシュによりセメント組成物の強度発現性がさらに高まることになる。
表１１において、実験例Ｄ１及びＤ２の組、実験例Ｄ３及びＤ４の組は、次のことを示している。すなわち、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物において、石灰石粉末及びフライアッシュが合計で10.0質量％以下の割合で含まれており、石膏粉末がSO3換算で0.6質量％以上2.4質量％以下の割合で含まれていれば、さらに高炉スラグ粉末が含まれている場合であっても、セメント組成物のフライアッシュ含有率が増加するにつれてセメント混練物の圧縮強さが増加すると考えられる。
次に、表１２について説明するが、その前に表５及び表１０について再度触れておく。表５において、実験例Ａ１〜Ａ４の組、実験例Ａ５〜Ａ８の組、実験例Ａ９〜Ａ１２の組、実験例Ａ１３〜Ａ１６の組、実験例Ａ１７〜Ａ２０の組、実験例Ａ２１〜Ａ２４の組をそれぞれ参照すると、石膏粉末含有率がSO3換算で0.6質量％から1.2質量％に増加するとセメント混練物の圧縮強さが急激に上昇するが、石膏粉末含有率がSO3換算で1.2質量％から1.8質量％、2.4質量％へと増加しても、セメント混練物の圧縮強さはわずかにしか上昇しない。
つまり、これらの実験例のうち、「石膏粉末含有率をSO3換算で1.2質量％、1.8質量％又は2.4質量％とする実験例」（以下「実験例Ｘ群」とする。）は、セメント組成物に含まれる石膏粉末によってセメント組成物の強度発現性を最大限発揮させているものである。また、これらの実験例のうち、「石膏粉末含有率をSO3換算で0.6質量％とする実験例」（以下「実験例Ｙ１群」とする。）は、セメント組成物に含まれる石膏粉末によってセメント組成物の強度発現性を高めているものの最大限発揮させてはいないものである。
なお、表７の説明において上述したように、これらの実験例のうち、「石膏粉末含有率をSO3換算で1.2質量％、1.8質量％又は2.4質量％とする実験例」（実験例Ｘ群）においては、セメント組成物のフライアッシュ含有率が増加するとセメント混練物の圧縮強さが増加する。また、これらの実験例のうち、「石膏粉末含有率をSO3換算で0.6質量％とする実験例」（実験例Ｙ１群）においては、セメント組成物のフライアッシュ含有率が増加するとセメント混練物の圧縮強さが減少する。一方、表１０に示す実験例Ｃ１及びＣ２の組（以下「実験例Ｙ２群」とする。）においては、石膏粉末含有率がSO3換算で1.2質量であってもセメントクリンカ粉末のSO3含有率が低いために、セメント組成物のフライアッシュ含有率が増加するとセメント混練物の圧縮強さが減少する。
表１２は、実験例Ｘ群、Ｙ１群及びＹ２群ごとに「S1＋S2」、「S2/S1」を示している。なお、セメントクリンカ粉末に含まれるSO3をクリンカSO3と定義し、石膏粉末に含まれるSO3を石膏SO3と定義し、セメント組成物に対するクリンカSO3の割合をＳ１質量％と定義し、セメント組成物に対する石膏SO3の割合をＳ２質量％と定義した場合において、「S1＋S2」はＳ１質量％とＳ２質量％との合計値であり、「S2/S1」はＳ１質量％に対するＳ２質量％の比（割合）である。
実験例Ｘ群において、「S1＋S2」は2.05以上3.60以下であり、「S2/S1」は0.998以上2.837以下である。また、実験例Ｙ１、Ｙ２群においては、「S1＋S2」が1.80以下であり、「S2/S1」が0.499以上2.381以下である。つまり、セメント組成物において、「S1＋S2」が2.05以上3.60以下であって「S2/S1」が0.998以上2.837以下であることにより、セメント組成物に含まれる石膏粉末及びフライアッシュによってセメント組成物の強度発現性が最大限発揮される。
なお、実験例Ｙ１、Ｙ２群の「S1＋S2」が実験例Ｘ群の「S1＋S2」よりも低いことを考慮すると、セメント組成物において、「S1＋S2」が3.60を超えていても、「S2/S1」が0.998以上2.837以下であれば、セメント組成物に含まれる石膏粉末及びフライアッシュによってセメント組成物の強度発現性が最大限発揮される、と考えられる。
以上により、表１２に示す実験例から次の結論を導出することができる。すなわち、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物において、石灰石粉末及びフライアッシュが合計で10.0質量％以下の割合で含まれており、石膏粉末がSO3換算で0.6質量％以上2.4質量％以下の割合で含まれており、「S1＋S2」が1.90以上（厳格には2.05以上）であり、かつ、「S2/S1」が0.90以上3.00以下（厳格には0.998以上2.837以下）であれば、セメント組成物において多くのクリンカSO3と多くの石膏SO3とが互いに均衡して含まれていることになる。
このため、このセメント組成物を水と混練すると、混練初期段階においては石膏粉末から石膏SO3が溶出し、混練初期段階経過後においてはセメントクリンカ粉末からクリンカSO3が溶出する。これにより、混練段階において、石膏粉末及びセメントクリンカ粉末から途切れることなく連続的にSO3が溶出し、このSO3により途切れることなく連続的にフライアッシュの水和が促進する。したがって、このようなセメント組成物は、混合物に含まれる石膏粉末及びフライアッシュにより混合物の強度発現性がさらに高まると考えられる。
１ セメント製造装置
２ クリンカサイロ
３ 仕上ミル
４ 分級装置
５ 混合装置
６ セメントサイロ
Ａ フライアッシュ
Ｃ クリンカ
Ｄ 粉砕物
Ｆ 微粉
Ｇ 石膏
Ｌ 石灰石粉末
Ｍ 混合物
Ｒ 粗粉
２ クリンカサイロ
３ 仕上ミル
４ 分級装置
５ 混合装置
６ セメントサイロ
Ａ フライアッシュ
Ｃ クリンカ
Ｄ 粉砕物
Ｆ 微粉
Ｇ 石膏
Ｌ 石灰石粉末
Ｍ 混合物
Ｒ 粗粉
Claims (7)
- セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物であって、
前記石灰石粉末及び前記フライアッシュは、前記混合物において合計で10.0質量％以下の割合で含まれており、
前記石膏粉末は、前記混合物においてSO3換算で0.6質量％以上2.4質量％以下の割合で含まれていることを特徴とするセメント組成物。 - 前記セメントクリンカ粉末のSO3含有率は0.80質量％以上であり、
前記石膏粉末は、前記混合物においてSO3換算で1.0質量％以上の割合で含まれていることを特徴とする請求項１に記載のセメント組成物。 - 前記混合物において、SO3含有率が0.56質量％以下であるセメントクリンカ粉末が含まれていないことを特徴とする請求項２に記載のセメント組成物。
- 前記セメントクリンカ粉末に含まれるSO3をクリンカSO3と定義し、前記石膏粉末に含まれるSO3を石膏SO3と定義し、前記混合物に対する前記クリンカSO3の割合をＳ１質量％と定義し、前記混合物に対する前記石膏SO3の割合をＳ２質量％と定義した場合において、
前記Ｓ１質量％と前記Ｓ２質量％との合計値が1.90質量％以上であり、かつ、前記Ｓ１質量％に対する前記Ｓ２質量％の割合が0.90以上3.00以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のセメント組成物。 - 前記セメントクリンカ粉末のTiO2含有率、MnO含有率、P2O5含有率、Na2O含有率及びK2O含有率をそれぞれＴ質量％、Ｍ質量％、Ｐ質量％、Ｎ質量％及びＫ質量％と定義した場合における前記セメントクリンカ粉末の物性値「（Ｔ＋Ｍ＋Ｐ）／（Ｎ＋0.658×Ｋ）」が0.80以上1.40以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のセメント組成物。
- セメント組成物の製造方法であって、
仕上工程及び混合工程を備えており、
前記仕上工程において、セメントクリンカを石膏と共に粉砕して混合粉末を製造し、
前記混合工程において、前記混合粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを混合してセメント組成物を製造し、
前記石灰石粉末及び前記フライアッシュは、前記セメント組成物において合計で10.0質量％以下の割合で含まれており、
前記石膏の粉末は、前記セメント組成物においてSO3換算で0.6質量％以上2.4質量％以下の割合で含まれていることを特徴とするセメント組成物の製造方法。 - 焼成工程をさらに備え、
当該焼成工程において、廃石膏ボードをセメント原料として前記セメントクリンカを製造することを特徴とする請求項６に記載のセメント組成物の製造方法。
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