JP2021187693A - 硬化助剤溶液、自硬性材料および硬化体、ならびにこれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体を含む自硬性材料の硬化体において、原料となる硬化助剤溶液に高い経時安定性を付与し、自硬性材料の硬化体に高い強度および高い品質安定性を付与しうる手段を提供する。【解決手段】本発明は、Ｓｉ元素と、アルカリと、分散媒と、を含み、前記分散媒は水を含み、前記Ｓｉ元素の溶解濃度が２００００質量ｐｐｍ以上であり、前記分散媒１ｋｇ中に存在する前記アルカリのｍｏｌ数が２ｍｏｌ／ｋｇ以上であり、濃度３ｍｏｌ／ＬのＫＯＨ水溶液を用いて質量基準で２倍に希釈した液について、液温８０℃で５時間加熱した後、２５℃の周囲環境下で１時間静置する加熱溶解試験の前後における、Ｓｉ元素の溶解濃度の変化量の絶対値が２０００質量ｐｐｍ以下であり、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体を含む粉体を硬化するために用いられる硬化助剤溶液に関する。【選択図】無し

Description

本発明は、硬化助剤溶液、自硬性材料および硬化体、ならびにこれらの製造方法に関する。

セメントーペースト、モルタル、およびコンクリート等の自硬性材料として、普通ポルトランドセメント等のセメント系材料が広く普及している。セメント系材料に含まれるセメントの原料であるセメントクリンカーは、石灰岩が粘土と混合されて焼成されるため、石灰岩の焼成による炭酸ガスの放出と、重油燃料の燃焼による炭酸ガスの放出とがある。このため、１トンのセメントクリンカーを焼成するのに１トンの二酸化炭素が発生するといわれているが、近年、地球温暖化現象が世界的に問題となり、炭酸ガス放出の規制が重要な課題となっている。また、このセメント系材料では、硬化時の水和反応によって水酸化カルシウムが生成される。このため、貯蔵設備等の地下設備の構築にセメント系材料を用いると、セメント系材料の硬化体に接触した水はアルカリ性を示す。ここで、止水性材料としてベントナイトを用いると、アルカリ環境下での変質が懸念される。また、周囲岩盤についても同様の懸念がある。これらのことから、セメント系材料に代わる新たな代替技術の開発が求められている。

セメント系材料の代替材料の一つとして、Ｓｉ元素を含むセラミックス粉体を含む自硬性材料が挙げられる。そして、かような自硬性材料の中でも、緻密性や強度に優れるとの観点から、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体と、その硬化助剤溶液となり得るアルカリおよびケイ素粉末を含有する溶液との混合物が検討されている。

特許文献１には、メカノケミカル処理によって表面が活性化されたフライアッシュと、強アルカリ溶液とケイ素粉末とを混合して得られる、強アルカリ溶液にケイ素成分が溶出しているケイ素混合物とを混合することを含む、自硬性材料の製造方法が開示されている。そして、当該製造方法によって、緻密性が高い硬化体を得ることができる自硬性材料が提供されることが開示されている。

特許文献２には、フライアッシュと、濃度３ｍｏｌ／Ｌの水酸化カリウム溶液と特定のケイ素粉末とを混合して得られるスラリーとを混合して混合物を得た後、当該混合物を硬化させる、硬化体の製造方法が開示されている。そして、当該製造方法によって、高い強度を有する硬化体が得られることが開示されている。

特開２０１５−２１８０７０号公報 特開２０１６−２２２５２８号公報

特許文献１に係る製造方法で得られる自硬性材料の硬化体、および特許文献２に係る製造方法によって製造される硬化体は、優れた強度を有するものの、近年、より高い強度の硬化体に対する要求が高まっており、同時に、これまでよりも高い品質安定性の要求も高まっている。

そこで本発明は、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体を含む自硬性材料の硬化体において、原料となる硬化助剤溶液に高い経時安定性を付与し、自硬性材料の硬化体に高い強度および高い品質安定性を付与しうる手段を提供することを目的とする。

本発明の上記課題は、以下の手段によって解決されうる。

Ｓｉ元素と、アルカリと、分散媒と、を含み、
前記分散媒は水を含み、
前記Ｓｉ元素の溶解濃度が２００００質量ｐｐｍ以上であり、
前記分散媒１ｋｇ中に存在する前記アルカリのｍｏｌ数が２ｍｏｌ／ｋｇ以上であり、
濃度３ｍｏｌ／ＬのＫＯＨ水溶液を用いて質量基準で２倍に希釈した液について、液温８０℃で５時間加熱した後、２５℃の周囲環境下で１時間静置する加熱溶解試験前後における、Ｓｉ元素の溶解濃度の変化量の絶対値が２０００質量ｐｐｍ以下であり、
少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体を含む粉体を硬化するために用いられる硬化助剤溶液。

本発明によれば、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体を含む自硬性材料の硬化体において、原料となる硬化助剤溶液に高い経時安定性を付与し、自硬性材料の硬化体に高い強度および高い品質安定性を付与しうる手段が提供される。

以下、本発明を説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態のみには限定されない。

本明細書において、範囲を示す「Ｘ〜Ｙ」は「Ｘ以上Ｙ以下」を意味する。また、本明細書において、特記しない限り、操作および物性等の測定は室温（２０〜２５℃）／相対湿度４０〜５０％ＲＨの条件で行う。

本発明の一形態は、Ｓｉ元素と、アルカリと、分散媒と、を含み、前記分散媒は水を含み、前記Ｓｉ元素の溶解濃度が２００００質量ｐｐｍ以上であり、前記分散媒１ｋｇ中に存在する前記アルカリのｍｏｌ数が２ｍｏｌ／ｋｇ以上であり、濃度３ｍｏｌ／ＬのＫＯＨ水溶液を用いて質量基準で２倍に希釈した液について、液温８０℃で５時間加熱した後、２５℃の周囲環境下で１時間静置する加熱溶解試験前後における、Ｓｉ元素の溶解濃度の変化量の絶対値が２０００質量ｐｐｍ以下であり、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体を含む粉体を硬化するために用いられる硬化助剤溶液に関する。

本発明者らは、本発明によって上記課題が解決されるメカニズムを以下のように推定している。

従来、Ｓｉ元素を含む化合物と、アルカリとを含む硬化助剤溶液中には、Ｓｉ元素を含む化合物の溶け残りが存在し、硬化助剤溶液の調製の際の混合時間や、硬化助剤溶液の調製から硬化対象物と混合するまでの時間によって硬化助剤溶液中のＳｉ元素の溶解濃度が変化していた。したがって、硬化助剤溶液の調製や硬化対象物の混合の条件を厳密に制御しなければ、自硬性材料の硬化体の強度を一定の強度とすることはできず、高い強度および高い品質安定性を有する硬化体を得ることは難しかった。一方、本発明に係る硬化助剤溶液は、Ｓｉ元素の溶解濃度が２００００質量ｐｐｍ以上、かつ分散媒１ｋｇ中に存在するアルカリのｍｏｌ数が２ｍｏｌ／ｋｇ以上である。アルカリ濃度が上記範囲であると、硬化助剤溶液中におけるＳｉ元素を含む化合物の溶解がより促進されることから、Ｓｉ元素の溶解量をより向上させることができ、また硬化助剤溶液中のＳｉ元素を含む化合物の溶け残りの発生もより抑制することができる。これにより、硬化助剤溶液やこれを含む自硬性材料の経時安定性が向上して、常に一定の強度の硬化体を製造することが可能となり、強度に劣る硬化体の製造が抑制されることから、より高い品質安定性および強度を有する硬化体が得られる。

また、Ｓｉ元素の溶解濃度が上記範囲であると、硬化助剤溶液中のＳｉ元素の量が十分となり、硬化助剤としての機能がより高まる。そして、所定のアルカリ性を有する自硬性材料中において、セラミックス粉体の表面におけるＳｉ元素と、硬化助剤溶液に由来する溶出したＳｉ元素との間で、これらＳｉ元素に関係する反応が十分に進行し、セラミックス粉体の硬化が進行して、より高い強度を有する硬化体が得られる。

そして、従来の硬化助剤溶液中にＳｉ元素を含む化合物の溶け残りが存在する場合、この溶け残りが沈降することで、硬化助剤溶液やこれを含む自硬性材料中で硬化助剤の存在状態が不均一となる。また、この溶け残りから溶出が生じることから、経時によって硬化助剤溶液中のＳｉ元素を含む化合物の溶解濃度が異なることとなる。このとき、自硬性材料やその硬化体の組成は場所や経時によって異なり、強度等の品質も不均一となることから、高い強度および高い品質安定性を有する硬化体を得ることは難しかった。一方、本発明に係る硬化助剤溶液は、濃度３ｍｏｌ／ＬのＫＯＨ水溶液を用いて質量基準で２倍に希釈した液（アルカリ水溶液による希釈液）について、液温８０℃で５時間加熱した後に２５℃の周囲環境下で１時間静置する加熱溶解試験前後における、硬化助剤溶液中のＳｉ元素の溶解濃度の変化量の絶対値が２０００質量ｐｐｍ以下である。加熱溶解試験前後におけるＳｉ元素の溶解濃度の変化量の絶対値が上記範囲内であることは、Ｓｉ元素を含む化合物が溶解可能な条件で溶液を加熱しても、Ｓｉ元素の溶解濃度が実質的に変化しないことを表す。すなわち、加熱溶解試験前後におけるＳｉ元素の溶解濃度の変化量の絶対値が上記範囲内であることは、硬化助剤溶液中にＳｉ元素を含む化合物の溶け残りが実質的に存在しないことを表す。この場合、Ｓｉ元素の溶解濃度は経時によらず一定となる。よって、自硬性材料やその硬化体の組成が均一となり、硬化体の強度等の物性の均一性が高まり、強度のバラツキが抑制され、強度に劣る硬化体の製造も抑制されることから、高い強度およびより高い品質安定性を有する硬化体が得られる。

なお、本発明に係る硬化助剤溶液は、Ｓｉ元素を含む化合物の溶け残りが存在しないことから、その調製に際しても過剰な原料（Ｓｉ元素を含む化合物）が不要であり、低コストになり得る。

なお、上記メカニズムは推測に基づくものであり、その正誤が本発明の技術的範囲に影響を及ぼすものではない。また、本明細書における他の推測事項についても同様に、その正誤が本発明の技術的範囲に影響を及ぼすものではない。

＜硬化助剤溶液＞
（Ｓｉ元素の溶解濃度）
本発明の一実施形態に係る硬化助剤溶液は、Ｓｉ元素を含む。硬化助剤溶液中に溶解されたＳｉ元素は、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体のＳｉ元素との間で生じる反応によりセラミックス粉体の硬化を進行させ、硬化体の形成に寄与する。

本発明の一実施形態に係る硬化助剤溶液では、Ｓｉ元素の溶解濃度は２００００質量ｐｐｍ以上である。Ｓｉ元素の溶解濃度が２００００質量ｐｐｍ未満であると、自硬性材料の硬化体において十分な強度が得られない。硬化助剤溶液中のＳｉ元素量が不足するため、硬化助剤としての機能が十分に発揮されないからであると推測される。Ｓｉ元素の溶解濃度は、３００００質量ｐｐｍ以上であることがより好ましい。Ｓｉ元素の溶解濃度が上記範囲であると、硬化剤の硬化能、自硬性材料の硬化体の強度がより向上する。また、Ｓｉ元素の溶解濃度は、１２００００質量ｐｐｍ以下であることが好ましい。Ｓｉ元素の溶解濃度が上記範囲であると、助剤自体の粘度が過剰に高くなることがより抑制され、使用上不適切なゲル化の発生がより抑制されるからである。

なお、硬化体の強度の観点からは、Ｓｉ元素の溶解濃度は、３５０００質量ｐｐｍ以上であることがさらに好ましく、４００００質量ｐｐｍ以上であることがよりさらに好ましく、７００００質量ｐｐｍ以上であることが特に好ましく、９００００量ｐｐｍ以上であることが最も好ましい。

また、硬化体の形状変化率の観点からは、Ｓｉ元素の溶解濃度は、１０００００質量ｐｐｍ以下であることがより好ましく、５００００質量ｐｐｍ以下であることがさらに好ましく、３５０００質量ｐｐｍ以下であることが特に好ましい。

硬化助剤溶液中のＳｉ元素の溶解濃度は、溶解に使用する原料であるＳｉ元素を含む化合物の使用量、Ｓｉ元素の溶解性に関係するアルカリの添加量、ｐＨ値により制御することができる。例えば、Ｓｉ元素を含む化合物の使用量を多く、アルカリの添加量を多く、ｐＨ値を高くすることで、Ｓｉ元素の溶解濃度を高くすることができる。

また、本発明の一実施形態に係る硬化助剤溶液は、当該硬化助剤溶液を濃度３ｍｏｌ／ＬのＫＯＨ水溶液を用いて質量基準で２倍に希釈した液（アルカリ水溶液による希釈液）の、液温８０℃で５時間加熱した後、２５℃の周囲環境下で１時間静置する加熱溶解試験前後における、Ｓｉ元素の溶解濃度の変化量の絶対値が２０００質量ｐｐｍ以下である（下限０質量ｐｐｍ）。当該変化量の絶対値が２０００質量ｐｐｍを超えると、Ｓｉ元素の溶解濃度が経時変化することから、硬化助剤溶液および自硬性材料の経時安定性や組成の均一性が不足し、硬化体の品質安定性および強度が不十分となる。この理由は、当該変化量の絶対値が２０００質量ｐｐｍを超えると、硬化助剤溶液中でＳｉ元素を含む化合物が完全に溶解しておらず溶け残りが存在しており、この場合、Ｓｉ元素を含む化合物から、Ｓｉ元素がケイ酸イオン等の形で継続して溶出するからであると推測される。

なお、本発明の一実施形態に係る硬化助剤溶液では、Ｓｉ元素を含む化合物の溶け残りが存在する場合であって、加熱溶解試験前後における、硬化助剤溶液のアルカリによる希釈液中のＳｉ元素の溶解濃度の変化量の絶対値が２０００質量ｐｐｍ以下となる場合は存在しない。硬化助剤溶液中にＳｉ元素を含む化合物の溶け残りが存在する場合、加熱溶解試験における濃度３ｍｏｌ／ＬのＫＯＨ水溶液による希釈、すなわちアルカリの添加によって、この溶け残りが存在する状態は平衡状態ではなくなる。このため、その後の加熱によって、この希釈後の硬化助剤溶液は濃度変化を起こすようになるからである。

加熱溶解試験前後におけるＳｉ元素の溶解濃度の変化量の絶対値は、溶解に使用する原料であるＳｉ元素を含む化合物の使用量に対して、溶け残りがなくなるよう十分な量のアルカリを十分な濃度となるよう添加することで、当該変化量の絶対値を小さくすることができる。

Ｓｉ元素の溶解濃度は、以下のように測定することができる。測定対象となる溶液（例えば、硬化助剤溶液や、希釈した硬化助剤溶液）について、遠心分離機（ベックマンコールター社製Ａｖａｎｔｉ ＨＰ−３０１）を用いて８１７６９Ｇで３０分間、遠心分離し、上清液を分取する。続いて、この分取した上清液を純水で、所定の倍率で希釈し、誘導結合プラズマ発光分析装置（株式会社日立ハイテクサイエンス製 ＳＰＳ３５１０）を用いて、誘導結合プラズマ発光分析を行い、けい素標準原液（関東化学株式会社製）を用いて作製した検量線から、希釈した上清液のＳｉ元素の溶解濃度〔質量ｐｐｍ〕を測定する。そして、得られた値と、質量基準の純水による上清液の希釈倍率との積に係る値をＳｉ元素の溶解濃度とすることで評価することができる。ここで、質量基準の純水による上清液の希釈倍率は、特に制限されないが、例えば、２０００倍とすることができる。なお、Ｓｉ元素の溶解濃度の評価方法の詳細や、加熱試験の詳細は、実施例に記載する。

なお、本発明において、硬化助剤溶液中に溶解しているＳｉ元素の存在状態は特に制限されない。例えば、ケイ酸イオンの状態等が挙げられる。

本発明の一実施形態に係る硬化助剤溶液のケイ酸イオンのＱ３率は、特に制限されないが、４５％以下であることが好ましい。（下限０％）Ｑ３率とは、ＳｉＯ_４四面体のＯ元素の内４つが隣接するＳｉ元素に共有されているＳｉ元素に由来するピーク（Ｑ４）、ＳｉＯ_４四面体のＯ元素の内３つが隣接するＳｉ元素に共有されているＳｉ元素に由来するピーク（Ｑ３）、ＳｉＯ_４四面体のＯ元素の内２つが隣接するＳｉ元素に共有されているＳｉ元素に由来するピーク（Ｑ２）、ＳｉＯ_４四面体のＯ元素の内１つが隣接するＳｉ元素に共有されているＳｉ元素に由来するピーク（Ｑ１）、ＳｉＯ_４四面体のＯ元素のすべてが隣接するＳｉ元素と共有されていないＳｉ元素に由来するピーク（Ｑ０）のピーク面積の合計面積に対する、ＳｉＯ_４四面体のＯ元素の内３つが隣接するＳｉ元素に共有されているＳｉ元素に由来するピーク（すなわち、Ｓｉ−（ＯＨ）_１構造由来のピーク）（Ｑ３）の面積の割合を、Ｑ３率〔％〕として表す。Ｑ３率が上記範囲であると、硬化助剤溶液を含む自硬性材料の硬化体の形状変化率、特に水分を多く含む自硬性材料の硬化体の形状変化率がより減少する。

ケイ酸イオンのＱ３率の算出に用いられる上記Ｑ０〜上記Ｑ４の各ピーク面積は、以下のように測定することができる。上記の硬化助剤溶液を、超伝導高分解能核磁気共鳴装置（ＪＥＯＬ ＲＥＳＯＮＡＮＣＥ社製 ＥＣＺ７００Ｒ）を用いて、Ｏｆｆｓｅｔ： −９０ ｐｐｍ、Ｓｗｅｅｐ： ４０ ｐｐｍ、Ｐｏｉｎｔｓ： ４０９６、Ｓｃａｎｓ： ２５６、Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ： １２０ ｓの条件で、液体^２９Ｓｉ ＮＭＲを測定する。なお、ケイ酸イオンのＱ３率の評価方法の詳細は、実施例に記載する。

硬化助剤溶液中に溶解しているＳｉ元素の供給源、すなわち、原料となるＳｉ元素を含む化合物は、後述するアルカリの存在下において、溶解されたＳｉ元素を供給することができるものであれば特に限定されない。例えば、ケイ素単体や、ケイ素を含む酸化物、窒化物、炭化物、酸化窒化物、窒化炭化物および酸化窒化炭化物等が挙げられる。これらは、粉末の形態であることが好ましい。したがって、好ましいＳｉ元素を含む化合物としては、酸化ケイ素（シリカ）粉末、窒化ケイ素粉末、炭化ケイ素粉末、酸化窒化ケイ素粉末、炭化窒化ケイ素粉末、ポリシリコン粉末等が挙げられる。また、例えば、オルトケイ酸、ピロケイ酸、メタケイ酸、メタ二ケイ酸等のケイ酸や、ケイ酸カリ（Ｋ_２ＳｉＯ_３）、ケイ酸ソーダ（Ｎａ_２ＳｉＯ_３）のようなケイ酸塩等も挙げられる。これらの中でも、シリカまたはケイ素単体であることが好ましく、非晶質シリカであることがより好ましく、非晶質シリカを主成分とするシリカフュームであることがさらに好ましい。これら好ましいＳｉ元素を含む化合物を用いることで、硬化助剤溶液および自硬性材料の経時安定性や組成の均一性もより向上して、硬化体の品質安定性および強度がより向上する。また、非晶質シリカ粉末を用いることで、自硬性材料の硬化体の形状変化率、特に水分を多く含む自硬性材料の硬化体の形状変化率がより改善する。

また、Ｓｉ元素を含む化合物としては、ケイ酸アルカリ金属塩またはケイ酸第２族金属塩を含まないことが好ましい。これらを含まないことによって、自硬性材料の硬化体の形状変化率、特に水分を多く含む自硬性材料の硬化体の形状変化率がより改善する。

Ｓｉ元素を含む化合物は、市販品を用いても合成品を用いてもよい。市販品としては、例えば、非晶質シリカを主成分とする非晶質シリカ粉末であるシリカフューム粉末である、エルケムジャパン株式会社製のエルケムマイクロシリカ９４０Ｕ等が挙げられる。

Ｓｉ元素を含む化合物は、単独でもまたは２種以上組み合わせても用いることができる。

なお、本発明の一実施形態に係る硬化助剤溶液中では、Ｓｉ元素を含む化合物はすべて溶解しており、粒子等の粉末状のもの、すなわち溶け残りは存在しないと考えられる。

（アルカリ）
本発明の一実施形態に係る硬化助剤溶液は、アルカリを含む。アルカリとは、硬化助剤溶液に添加されることによって当該溶液のｐＨを上昇させる機能を有する化合物を表す。アルカリは、硬化助剤溶液中にＳｉ元素を含む化合物を十分に溶解させることに寄与する。

本発明の一実施形態に係る硬化助剤溶液では、分散媒１ｋｇ中に存在するアルカリのｍｏｌ数（以下、「アルカリの質量モル濃度」とも称する）は２ｍｏｌ／ｋｇ以上である。アルカリの質量モル濃度が２ｍｏｌ／ｋｇ未満であると、自硬性材料の硬化体において十分な強度が得られない。硬化助剤溶液中にその原料であるＳｉ元素を含む化合物が十分に溶解せず、Ｓｉ元素が十分に溶出できないため、硬化助剤としての機能が十分に発揮されないからであると推測される。また、Ｓｉ元素を含む化合物の溶け残りが顕著に増加することから、この溶け残りからＳｉ元素がケイ酸イオン等の形で継続して溶出し、Ｓｉ元素の溶解濃度が経時変化することで、硬化助剤溶液および自硬性材料の経時安定性や組成の均一性が低下し、硬化体の品質安定性および強度が低下するからであると推測される。アルカリの質量モル濃度の下限は、２．５ｍｏｌ／ｋｇ以上であることが好ましく、３ｍｏｌ／ｋｇ以上であることがより好ましい。上記範囲であると、硬化助剤溶液および自硬性材料の経時安定性や組成の均一性がより向上し、硬化体の品質安定性および強度もより向上する。また、アルカリの質量モル濃度の上限は、特に制限されないが、８ｍｏｌ／ｋｇ以下であることが好ましく、６ｍｏｌ／ｋｇ以下であることがより好ましい。上記範囲であると、硬化助剤溶液やこれを含む自硬性材料の安全性がより向上する。

なお、本明細書において、アルカリの質量モル濃度とは、分散媒１ｋｇ中に存在するアルカリのｍｏｌ数を表すものとする。硬化助剤溶液中のアルカリの質量モル濃度は、硬化助剤溶液中のアルカリ金属イオンの濃度を、誘導結合プラズマ発光分析等を用いて測定した結果について、硬化助剤溶液１ｋｇ中のアルカリ金属イオンのｍｏｌ数に換算した値を得た後、当該値を、硬化助剤溶液を揮発乾燥させた際の質量減少から計算される硬化助剤溶液中の分散媒の質量分率で除することで算出することができる。また、硬化助剤溶液の処方が単純である場合、硬化助剤溶液中のアルカリの質量モル濃度は、使用したアルカリのモル数または質量、分散媒の質量、および当該アルカリの分子量〔ｇ／ｍｏｌ〕等から、分散媒１ｋｇ中に存在するアルカリのｍｏｌ数〔ｍｏｌ／ｋｇ〕を計算することで算出することもできる。また、硬化助剤溶液中のアルカリの質量モル濃度は、硬化助剤溶液を遠心分離した後、上清を分取し、分取した上清にメチルオレンジ指示薬を加え、塩酸で滴定してその使用量から算出することもできる。

アルカリは、特に制限されず公知のものを用いることができる。例えば、アルカリ金属または第２族金属の水酸化物等が挙げられる。アルカリ金属の水酸化物としては、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等が挙げられる。第２族金属の水酸化物としては、例えば、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等が挙げられる。これらの中でも、アルカリは、アルカリ金属の水酸化物であることがより好ましく、水酸化カリウムまたは水酸化ナトリウムであることがさらに好ましく、水酸化カリウムであることが特に好ましい。これら好ましいアルカリを用いることで、硬化助剤溶液および自硬性材料の経時安定性や組成の均一性がより向上し、硬化体の品質安定性および強度もより向上する。

アルカリは、市販品を用いても合成品を用いてもよい。

アルカリは、単独でもまたは２種以上組み合わせても用いることができる。

（分散媒）
本発明の一実施形態に係る硬化助剤溶液は、分散媒を含む。分散媒は、各成分を分散または溶解させる。

分散媒は、水を含む。水は、アルカリを溶解することでアルカリ性を発現させ、Ｓｉ元素を含む化合物を溶解させることに寄与する。水は、不純物をできる限り含有しない水が好ましい。例えば、遷移金属イオンの合計含有量が１００ｐｐｂ以下である水が好ましい。ここで、水の純度は、例えば、イオン交換樹脂を用いる不純物イオンの除去、フィルタによる異物の除去、蒸留等の操作によって高めることができる。具体的には、水としては、例えば、脱イオン水（イオン交換水）、純水、超純水、蒸留水などを用いることが好ましい。

水以外の分散媒は、各成分の分散または溶解のために、有機溶媒であってもよい。この場合、用いられる有機溶媒としては、例えば、水と混和する有機溶媒であるアセトン、アセトニトリル、エタノール、メタノール、イソプロパノール、グリセリン、エチレングリコール、プロピレングリコール等が好ましい例として挙げられる。また、有機溶媒を水と混合せずに用いて、各成分を分散または溶解させた後に、水と混合してもよい。これら有機溶媒は、単独でもまたは２種以上組み合わせても用いることができる。

ここで、分散媒中の水の含有量は、分散媒の総質量に対して、５０質量％以上であることが好ましく、８０質量％以上であることがより好ましく、１００質量％（水のみ）であることがさらに好ましい（上限１００質量％）。

（硬化助剤溶液の製造方法）
上記硬化助剤溶液の製造方法は、特に制限されず、公知の方法を用いることができる。これらの中でも、Ｓｉ元素を含む化合物と、分散媒１ｋｇ中に存在するアルカリのｍｏｌ数が２ｍｏｌ／ｋｇ以上であり、かつ水を含むアルカリ溶液とを混合して混合溶液を得ることを含む方法であることが好ましい。

ここで、Ｓｉ元素を含む化合物、アルカリおよび分散媒は、上記説明したとおりである。また、前述のように、上記硬化助剤溶液の製造方法は、Ｓｉ元素を含む化合物として、ケイ酸アルカリ金属塩またはケイ酸第２族金属塩を混合することを含まないことが好ましい。

混合方法、手順、装置は、特に制限されず、公知の方法、手順、装置を適宜選択して使用することができる。混合装置としては、特に限定されるものではなく、従来公知の任意の混合機、混練機が使用できる。例えば、双腕ニーダー、加圧ニーダー、アイリッヒミキサー、スーパーミキサー、プラネタリーミキサー、バンバリーミキサー、コンティニュアスミキサー、連続混練機等が挙げられる。気泡を抜くために真空土練機を用いることも好ましい。

また、本形態に係る製造方法では、上記得られた混合溶液を加熱処理することを含むことが好ましい。加熱処理を行うことで、硬化助剤溶液の経時安定性が向上し、自硬性材料の経時安定性や組成の均一性も向上することから、より高い品質安定性および強度を有する硬化体が得られる。加熱処理によって、硬化助剤溶液中におけるＳｉ元素を含む化合物の溶解がより促進されることから、Ｓｉ元素の溶解量をより向上させることができ、また硬化助剤溶液中のＳｉ元素を含む化合物の溶け残りの発生もより抑制することができるからであると推測される。

加熱方法、手順、装置は、特に制限されず、公知の方法、手順、装置を適宜選択して使用することができる。

溶解条件について、加熱温度は、液温５０℃以上であることが好ましく、液温６０℃以上であることがより好ましく、液温８０℃以上であることがさらに好ましい。高温であるほどＳｉ元素を含む化合物の溶解速度が高まり、より短時間で溶解できるからである。また、加熱温度は、液温１００℃以下となるように行うことが好ましく、液温９５℃以下であることがより好ましく、液温９０℃以下であることがさらに好ましい。温度が高すぎると加熱中、分散媒が揮発し所望の濃度の硬化助剤溶液が得られない場合があるからである。加熱時間は、３時間以上であることが好ましく、４時間以上であることがより好ましく、５時間以上であることがさらに好ましい。一定以上の時間をかけて加熱することで確実にＳｉ元素を含む化合物を溶け残り無く溶解することができるからである。また、加熱時間は、２４時間以下であることが好ましく、１２時間以下であることがより好ましく、８時間以下であることがさらに好ましい。溶解時間が長くなりすぎると、加熱中、分散媒が揮発し所望の濃度の硬化助剤溶液が得られない場合があるであるからである。よって、上記硬化助剤溶液の製造方法は、上記の混合溶液を液温８０℃以上で５時間以上加熱することをさらに含むことが好ましい。

（硬化対象物）
本発明の一実施形態に係る硬化助剤溶液は、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体を含む粉体を硬化するために用いられる。硬化助剤溶液中に溶解されたＳｉ元素は、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体のＳｉ元素との間で、これらＳｉ元素に関係する反応によりセラミックス粉体の硬化を進行させる。

少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体としては、特に制限されず公知のものを使用することができる。これらの中でも、アルミノケイ酸塩や高炉スラグが好ましく、アルミノケイ酸塩がより好ましい。アルミノケイ酸塩としては、例えば、フライアッシュ、赤泥、シリカフュームおよび下水汚泥焼却灰等の産業廃棄物；天然アルミノシリケート鉱物およびそれらの仮焼物（例えばメタカオリン）；火山灰等が挙げられる。これらの中でも、入手容易性やコストの観点から、フライアッシュが好ましい。また、特開２００８−２３９４３３号公報の段落「００１６」および「００１７」等に記載の上記以外のセラミックス粉体を用いてもよい。

少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体は、表面が非晶質化された、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体を含むことが好ましく、表面が非晶質化されたアルミノケイ酸塩または表面が非晶質化された高炉スラグを含むことがより好ましく、表面が非晶質化されたアルミノケイ酸塩を含むことがさらに好ましく、表面が非晶質化されたフライアッシュを含むことが特に好ましい。表面を非晶質化することによって、表面が活性化され、硬化助剤溶液との間の反応性がより高まり、自硬性材料の硬化体の強度もより高まる。非晶質層ではＳｉ元素を含む網目構造がアモルファス状態で存在しており、アルカリによって侵食されやすい状態となり、非晶質層におけるＳｉ元素の溶解および再析出等がより生じ易くなる。これによって、硬化助剤溶液中に溶解されたＳｉ元素と、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体のＳｉ元素との間の反応もより生じ易くなるからであると推測される。なお、表面が非晶質化されたことは、Ｘ線回折法による結晶ピーク強度の低下や、Ｘ線電子分光法やＸ線吸収微細構造分析による原子の結合状態を観察することにより確認することができる。

少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体は、市販品を用いても合成品を用いてもよい。

少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体は、単独でもまたは２種以上組み合わせても用いることができる。

また、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体を含む粉体は、他の粉体を含有していてもよい。また、粉体以外の形態を有する他の成分を含有していてもよい。少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体を含む粉体中の総質量に対する、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体の含有量は、特に制限されないが、６０質量％以上であることが好ましく、１００質量％以下であることが好ましい。

なお、後述する自硬性材料の説明に記載するように、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体を含む粉体の総質量に対する、酸化カルシウム（ＣａＯ）含有割合（本明細書において、「ＣａＯ含有率」とも称する）は、特に制限されないが、１５質量％以下であることが好ましい（下限０質量％）。

＜自硬性材料＞
本発明の他の一形態は、上記硬化助剤溶液と、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体とを含む、自硬性材料に関する。当該自硬性材料は、自硬性材料の経時安定性や組成の均一性が高く、これより得られる硬化体の強度および品質安定性も高い。

当該自硬性材料は、上記硬化助剤溶液中に溶解されたＳｉ元素と、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体のＳｉ元素との間で、これらＳｉ元素に関係する反応により硬化する。少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体は、上記硬化助剤溶液の硬化対象物の説明における、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体の説明のとおりである。

少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体を含んでいれば、自硬性材料は、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体以外の粉体を含んでいてもよい。すなわち、本形態は上記硬化助剤溶液と、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体を含む粉体とを含む、自硬性材料に関するとも言える。この場合、自硬性材料は、粉体として、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体以外の骨材をさらに含むことが好ましい。このような骨材としては、特に制限されず、公知の粗骨材または微骨材を使用することができる。

少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体を含む粉体の総質量に対する、酸化カルシウム（ＣａＯ）含有割合（ＣａＯ含有率）は、特に制限されないが、１５質量％以下であることが好ましい（下限０質量％）。すなわち、自硬性材料は、ＣａＯ含有率が１５質量％以下である粉体を含み、前記粉体は、前記少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体を含むことが好ましい。上記範囲であれば、Ｃａが原因でセメントに生じることが知られている白華現象と同様の現象がより生じ難くなる。ＣａＯ含有率は、例えば蛍光Ｘ線分析により評価することができる。

上記自硬性材料の製造方法は、特に制限されず、公知の方法を用いることができる。これらの中でも、上記硬化助剤溶液を準備すること、または上記の硬化助剤溶液の製造方法によって硬化助剤溶液を製造することと、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体をメカノケミカル処理することと、当該準備された硬化助剤溶液または当該製造された硬化助剤溶液のいずれかと、メカノケミカル処理後の前記セラミックス粉体とを混合することと、を含む方法であることが好ましい。

メカノケミカル処理とは、固体物質の粉砕過程での摩擦、圧縮等の機械的エネルギーにより局部的に生じる高いエネルギーを利用した、結晶化反応、固溶反応、相転移反応等の化学反応を生じさせる処理を表す。少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体にメカノケミカル処理を施した場合、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体の表面が活性化される。すなわち、表面が非晶質化された、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体が得られる。メカノケミカル処理による表面の活性化、すなわち表面の非晶質化によって、硬化助剤溶液との間の反応性がより高まり、自硬性材料の硬化体の強度もより高まる。非晶質層ではＳｉ元素を含む網目構造がアモルファス状態で存在しており、アルカリによって侵食されやすい状態となり、非晶質層からのＳｉ元素の溶解および再析出等が生じ易くなることによって、硬化助剤溶液中に溶解されたＳｉ元素と、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体のＳｉ元素との間の反応もより生じ易くなるからであると推測される。

メカノケミカル処理は、衝撃、摩擦、圧縮、剪断等の各種の力を複合的に作用させることが効果的である。このような作用を行うことができる装置としては、特に限定されず公知のものを使用することができる。例えば、ボールミル、振動ミル、遊星ボールミル、媒体攪拌型ミル等の混合装置、ボール媒体ミル、ローラーミル、乳鉢等の粉砕機、被粉砕物に対して主として衝撃、摩砕等の力を作用させることができるジェット粉砕機等が挙げられる。ボール媒体ミルを使用する場合、ボールは、特に制限されず公知のものを使用することができる。例えば、ジルコニアボール等が挙げられる。

メカノケミカル処理条件としては、制限されないが、粒度分布の経時変化がなくなるまで行うことが好ましい。粒度分布の経時変化がなくなるまで処理を行うことは、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体が摩砕によって細かくできる限界に達していると考えられ、セラミックス表面のメカノケミカル的な非晶質化が最も進行した状態となっていると推測される。ボール媒体ミルを使用する場合、一般的には、ボール媒体ミルの回転速度は、十分に粉体にエネルギーを加えられる条件であれば特に制限されないが、２００ｒｐｍ以上であることが好ましく、その上限は、使用する装置上の上限以下であれば特に制限されない。また、刺激時間は、特に制限されないが、３〜２４時間であることが好ましい。

ここで、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体は、上記硬化助剤溶液の硬化対象物における、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体の説明のとおりである。

少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体および硬化助剤溶液の使用量は、以下のような量が好ましい。自硬性材料中の少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体と、硬化助剤溶液の原料として使用したＳｉ元素を含む化合物（例えば、非晶質シリカまたはＫ_２ＳｉＯ_３等）との合計質量１００質量部に対する自硬性材料中の分散媒（例えば、水）の質量（以下、Ｗ／Ｂとも称する）が、０質量部超であることが好ましく、２０質量部超であることがより好ましく、２５質量部超であることがさらに好ましい。上記範囲であると、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体に対して十分な量の硬化助剤溶液が添加される事になり、硬化助剤中の溶解Ｓｉ元素も十分に供給されるからである。また、Ｗ／Ｂは、５０質量部以下であることが好ましく、４０質量部以下であることがより好ましく、３５質量部以下であることがさらに好ましく、３０質量部以下であることが特に好ましい。上記範囲であると、硬化体の強度がより向上し、硬化体の形状変化率がより小さくなる。

ただし、形状変化率をより小さくするとの効果をより有効に活用するとの観点からは、Ｗ／Ｂは、３０質量部以上であることが好ましく、３５質量部以上であることがより好ましく、４０質量部以上であることがさらに好ましい。

上記自硬性材料の製造方法は、前記準備された硬化助剤溶液または前記製造された硬化助剤溶液と、メカノケミカル処理後の少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体（表面が非晶質化された、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体）とを混合した後、骨材をさらに混合することを含んでいてもよい。

骨材としては、特に限定されず、公知の粗骨材または微骨材を使用することができる。骨材は、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体であっても、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体以外の骨材であってもよい。骨材として使用できる少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体は、上記硬化助剤溶液の硬化対象物における、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体の説明のとおりである。また、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体以外の骨材としては、特に制限されず、公知の、表面にＳｉ元素を含まない粗骨材または微骨材を使用することができる。

＜硬化体＞
本発明のその他の一形態は、上記自硬性材料の硬化物である、硬化体に関する。当該硬化体は、高い強度を有する。

硬化体の強度は、圧縮強度の評価にて判断することができる。上記硬化助剤溶液や上記自硬性材料の経時安定性や組成の均一性が高く、かつ、上記硬化助剤溶液によって奏される作用も大きい場合に、硬化体において高い圧縮強度が得られる。硬化体の圧縮強度は、８Ｎ／ｍｍ^２以上であることが好ましく、１０Ｎ／ｍｍ^２以上であることがより好ましく、２４Ｎ／ｍｍ^２以上であることがさらに好ましい。硬化体の圧縮強度は、圧縮試験機（株式会社島津製作所製 オートグラフＡＧ−１００ＫＮＸ）を用いて、一軸圧縮試験を行うことで測定することができる。なお、硬化体の圧縮強度の評価方法の詳細は、実施例に記載する。

硬化体は、形状変化が小さいほど好ましい。すなわち、硬化体の形状変化率の絶対値は小さいほど好ましく、６％以下であることが好ましく、５％以下であることがより好ましく、２％以下であることがさらに好ましく、１％以下であることがよりさらに好ましく、０．５％以下であることが特に好ましく、０．１％以下であることが最も好ましい（下限０％）。特に、上記自硬性材料のＷ／Ｂが４０質量部以上である場合に上記範囲内であることが好ましい。硬化体の形状変化率は、以下のように算出することができる。上記の自硬性材料を円筒型枠に打設した直後の径を、ノギスを用いて測定する。次いで、４０℃で４８時間の封かん養生後に脱型した後、さらに４０℃で５日間乾燥養生し硬化体を得る。続いて、得られた硬化体の径を、ノギスを用いて測定する。そして、［（硬化体の径−打設直後の径）／打設直後の径］×１００の式によって、形状変化率〔％〕を算出する。なお、硬化体の形状変化率の評価方法の詳細は、実施例に記載する。

上記硬化体の製造方法は、特に制限されず、公知の方法を用いることができる。これらの中でも、上記自硬性材料を準備すること、または上記自硬性材料の製造方法によって自硬性材料を製造することと、当該準備された自硬性材料または当該製造された自硬性材料を硬化することと、を含むことが好ましい。

硬化方法、手順、装置は、特に限定されず、公知の方法、手順、装置を適宜選択して使用することができる。

硬化体の製造方法は、硬化後の自硬性材料を５０℃以上で加熱養生することを含まない方法であることが好ましい。例えば、上記の自硬性材料を円筒型枠に打設し、４０℃で４８時間の封かん養生後に脱型した後、さらに４０℃で５日間乾燥養生し硬化体を得る方法等が挙げられる。特に、自硬性材料の製造に使用する硬化助剤溶液の原料として非晶質シリカを用い、かつ自硬性材料の製造において、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体にメカノケミカル処理を施す場合には、硬化後の自硬性材料を５０℃以上で加熱養生することを含まずとも、高い強度および小さい形状変化率を有する硬化体を製造することができる。

本発明を、以下の実施例および比較例を用いてさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。なお、特記しない限り、「％」および「部」は、それぞれ、「質量％」および「質量部」を意味する。

＜硬化助剤溶液＞
〔硬化助剤溶液１〜１３の調製〕
原料であるアルカリ水溶液に、原料であるＳｉ元素を含む化合物を添加して混合し、所定の溶解条件にて得られた混合物を撹拌することで、各硬化助剤溶液を調製した。各硬化助剤溶液の調製における、アルカリの種類およびアルカリ水溶液の濃度、Ｓｉ元素を含む化合物の種類、アルカリ水溶液およびＳｉ元素を含む化合物の使用量、ならびに溶解条件は、それぞれ下記表１に示す。

なお、下記表１における非晶質シリカとしては、非晶質シリカを主成分とするシリカ粉末であるシリカヒューム粉末（エルケム９４０Ｕ、エルケムジャパン株式会社製）を使用した。

また、下記表１において、溶解条件の温度は液温を示し、硬化助剤溶液Ｎｏ．１３の調製を除き、反応開始から反応終了までの液温は一定であった。

〔硬化助剤溶液中のアルカリの質量モル濃度〕
使用したアルカリの量、および分散媒（水）の量から、分散媒（水）１ｋｇ中に存在するアルカリのｍｏｌ数〔ｍｏｌ／ｋｇ〕を計算した。なお、分散媒（水）１ｋｇ中に存在するアルカリのｍｏｌ数〔ｍｏｌ／ｋｇ〕は、硬化助剤溶液作製後に、硬化助剤溶液を遠心分離した後、上清を分取し、分取した上清にメチルオレンジ指示薬を加え、塩酸で滴定してその使用量からも算出できる。

硬化助剤溶液のアルカリの質量モル濃度の評価結果を下記表２に示す。

〔Ｓｉ元素の溶解濃度〕
（１．硬化助剤溶液のＳｉ元素の溶解濃度）
上記調製後の硬化助剤溶液を２５℃の周囲環境下で１時間静置した後、硬化助剤溶液の一部を分取した。次いで、この分取した硬化助剤溶液について、遠心分離機（ベックマンコールター社製Ａｖａｎｔｉ ＨＰ−３０１）を用いて８１７６９Ｇで３０分間、遠心分離し、上清液を分取した。続いて、この上清液を純水で質量基準２０００倍に希釈し、誘導結合プラズマ発光分析装置（株式会社日立ハイテクサイエンス製 ＳＰＳ３５１０）を用いて、誘導結合プラズマ発光分析を行い、けい素標準原液（関東化学株式会社製）を用いて作製した検量線から、２０００倍に希釈した上清液のＳｉ元素の溶解濃度〔質量ｐｐｍ〕を測定した。そして、得られた値を２０００倍にした値をＳｉ元素の溶解濃度〔質量ｐｐｍ〕とした。

（２．加熱試験前後における、Ｓｉ元素の溶解濃度の変化量の絶対値）
上記調製後の硬化助剤溶液を２５℃の周囲環境下で１時間静置した後、硬化助剤溶液の一部を分取した。次いで、この分取した硬化助剤溶液に対して、濃度３ｍｏｌ／ＬのＫＯＨ水溶液を用いて質量基準で２倍に希釈した、アルカリ水溶液による希釈液を調製した。

続いて、この得られたアルカリ水溶液による希釈液について、上記の１．硬化助剤溶液のＳｉ元素の溶解濃度の測定と同様にして、遠心分離を行い、上清液を分取した。そして、この上清液を純水で質量基準２０００倍に希釈し、上記の１．硬化助剤溶液のＳｉ元素の溶解濃度の測定と同様にして、誘導結合プラズマ発光分析を行った。そして、得られた値を２０００倍にした値を加熱試験前のＳｉ元素の溶解濃度〔質量ｐｐｍ〕とした。

また、上記得られたアルカリ水溶液による希釈液について、液温８０℃で５時間加熱した後、２５℃の周囲環境下で１時間静置する加熱溶解試験を行った。この加熱溶解試験後の希釈液について、上記の１．硬化助剤溶液のＳｉ元素の溶解濃度の測定と同様にして、遠心分離を行い、上清液を分取した。そして、この上清液を純水で質量基準２０００倍に希釈し、上記の１．硬化助剤溶液のＳｉ元素の溶解濃度の測定と同様にして、誘導結合プラズマ発光分析を行った。そして、得られた値を２０００倍にした値を加熱試験後のＳｉ元素の溶解濃度〔質量ｐｐｍ〕とした。

そして、加熱試験前後における、Ｓｉ元素の溶解濃度の値から、加熱試験前後における、Ｓｉ元素の溶解濃度の変化量の絶対値〔質量ｐｐｍ〕を算出した。

（３．２４時間後の硬化助剤溶液のＳｉ元素の溶解濃度）
上記調製後の硬化助剤溶液を２５℃の周囲環境下で２４時間静置した後、硬化助剤溶液の一部を分取した。次いで、この分取した硬化助剤溶液について、上記の１．硬化助剤溶液のＳｉ元素の溶解濃度の測定と同様にして、遠心分離を行い、上清液を分取し、この上清液を純水で質量基準２０００倍に希釈し、誘導結合プラズマ発光分析を行った。そして、得られた値を２０００倍にした値を加熱試験前のＳｉ元素の溶解濃度〔質量ｐｐｍ〕とした。

これらＳｉ元素の溶解濃度の評価結果を下記表２に示す。ここで、硬化助剤溶液のＳｉ元素の溶解濃度の結果を「調整後１時間静置」の欄に、２４時間後の硬化助剤溶液のＳｉ元素の溶解濃度の結果を「調整後２４時間静置」の欄に記載示す。また、硬化助剤溶液のアルカリ水溶液による希釈液について、加熱試験前のＳｉ元素の溶解濃度の結果を「加熱試験前（アルカリ水溶液による希釈液）」の欄に、加熱試験後のＳｉ元素の溶解濃度の結果を「加熱試験後（アルカリ水溶液による希釈液）」の欄に示す。

〔ＮＭＲピーク比におけるＱ３率〔％〕〕
上記調製後の硬化助剤溶液を２５℃の周囲環境下で１時間静置した後、硬化助剤溶液の一部を分取した。次いで、この分取した硬化助剤溶液について、超伝導高分解能核磁気共鳴装置（ＪＥＯＬ ＲＥＳＯＮＡＮＣＥ社製 ＥＣＺ７００Ｒ）を用いて、Ｏｆｆｓｅｔ： −９０ ｐｐｍ、Ｓｗｅｅｐ： ４０ ｐｐｍ、Ｐｏｉｎｔｓ： ４０９６、Ｓｃａｎｓ： ２５６、Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ： １２０ ｓの条件で、液体^２９Ｓｉ ＮＭＲを測定した。

この結果から、ＳｉＯ_４四面体のＯ元素の内４つが隣接するＳｉ元素に共有されているＳｉ元素に由来するピーク（Ｑ４）、ＳｉＯ_４四面体のＯ元素の内３つが隣接するＳｉ元素に共有されているＳｉ元素に由来するピーク（Ｑ３）、ＳｉＯ_４四面体のＯ元素の内２つが隣接するＳｉ元素に共有されているＳｉ元素に由来するピーク（Ｑ２）、ＳｉＯ_４四面体のＯ元素の内１つが隣接するＳｉ元素に共有されているＳｉ元素に由来するピーク（Ｑ１）、ＳｉＯ_４四面体のＯ元素のすべてが隣接するＳｉ元素と共有されていないＳｉ元素に由来するピーク（Ｑ０）のピーク面積をそれぞれ算出し、これらの合計面積に対するＳｉＯ_４四面体のＯ元素の内３つが隣接するＳｉ元素に共有されているＳｉ元素に由来するピーク（すなわち、Ｓｉ−（ＯＨ）_１構造由来のピーク）（Ｑ３）の面積の割合をＱ３率〔％〕とした。

なお、本測定では、ＳｉＯ_４四面体のＯ元素のすべてが隣接するＳｉ元素に共有されているＳｉ元素に由来するピーク（Ｑ４）は観察されなかった（面積０）ため、Ｑ３率はＱ０〜Ｑ３の和の値に対するＱ３の値の比率と同様の値となった。

硬化助剤溶液のＱ３率の評価結果を下記表２に示す。

＜自硬性材料およびその硬化体＞
〔表面活性化フライアッシュの準備〕
フライアッシュ（平均体積粒子径２０μｍ、ＣａＯの含有率：１０．１質量％以下）５０ｇをジルコニア製の容量５００ｍＬのポットに入れ、ジルコニアボール（直径１０ｍｍ）を投入し、遊星ボールミル装置（ｆｒｉｔｓｃｈ社製 Ｐ−５タイプ）を用いて、回転速度３００ｒｐｍ、刺激時間６時間の条件でメカノケミカル処理を行い、表面活性化フライアッシュである、表面が非晶質化されたフライアッシュ（表面非晶質化ＦＡ）（ＣａＯの含有率：１０．１質量％以下）を得た。

〔表面が非晶質化されたフライアッシュを使用した自硬性材料の調製〕
上記で得られた表面非晶質化ＦＡに、上記で得られた各硬化助剤溶液をそれぞれ添加して混合し、得られた混合物を目視で均一な状態になったことが確認できるまで撹拌して、各自硬性材料を調製した。各自硬性材料の調製において、表面非晶質化ＦＡおよび硬化助剤溶液の使用量は、自硬性材料中の表面非晶質化ＦＡと、硬化助剤溶液の原料として使用したＳｉ元素を含む化合物（非晶質シリカ、またはケイ酸カリ（Ｋ_２ＳｉＯ_３水溶液）中のＳｉＯ_２）との合計質量１００質量部に対する、自硬性材料中の水（分散媒）の質量〔質量部〕（Ｗ／Ｂ）が下記表３および下記表４に示す値となるように決定した。ここで、各硬化助剤溶液は、調製から２４時間後のものを用いた。

なお、硬化助剤溶液１１の調製では、原料であるＳｉ元素を含む化合物としてケイ酸カリ（Ｋ_２ＳｉＯ_３）水溶液を用いたが、Ｗ／Ｂの算出に際しては、その中に含まれるＳｉＯ_２としての質量の値を用いた。

〔未処理フライアッシュを使用した自硬性材料の調製〕
メカノケミカル処理を施していないフライアッシュ（未処理フライアッシュ）（平均体積粒子径２０μｍ、ＣａＯの含有率：１０．１質量％以下）に、上記得られた硬化助剤溶液６を添加して混合し、得られた混合物を得られた混合物を目視で均一な状態になったことが確認できるまで撹拌して、自硬性材料６’を調製した。ここで、各硬化助剤溶液は、調製から２４時間後のものを用いた。当該自硬性材料の調製において、未処理フライアッシュおよび硬化助剤溶液の使用量は、自硬性材料中の未処理フライアッシュの質量と、硬化助剤溶液の原料として使用したＳｉ元素を含む化合物（非晶質シリカ）の質量との合計１００質量部に対する、自硬性材料中の水（分散媒）の質量〔質量部〕（Ｗ／Ｂ）が下記表３および下記表４に示す値となるように決定した。

〔硬化体の製造〕
上記得られた各自硬性材料を、直径（内径）２０ｍｍ×高さ４０ｍｍの円筒型枠に打設し、４０℃で４８時間の封かん養生後に脱型した後、さらに４０℃で５日間乾燥養生して硬化体を得た。

〔硬化体の圧縮強度〕
硬化体の上下端面を鉛直に成形し、圧縮試験機（株式会社島津製作所製 オートグラフＡＧ−１００ＫＮＸ）を用いて、一軸圧縮試験を行うことで、硬化体の圧縮強度〔Ｎ／ｍｍ^２〕を測定した。圧縮強度が８〔Ｎ／ｍｍ^２〕以上であると、強度が良好であると判断した。なお、硬化助剤溶液の経時安定性が高いと、硬化助剤溶液の組成の均一性も高く、自硬性材料の経時安定性や組成の均一性も高いことから、より高い硬化体の圧縮強度が得られる。

各Ｗ／Ｂの自硬性材料の硬化体の圧縮強度の評価結果を下記表３に示す。

〔硬化体の形状変化率〕
上記得られた各自硬性材料を直径（内径）２０ｍｍ×高さ４０ｍｍの円筒型枠に打設した直後の径を、ノギスを用いて測定した。次いで、４０℃で４８時間の封かん養生後に脱型した後、さらに４０℃で５日間乾燥養生し硬化体を得た。続いて、得られた硬化体の径を、ノギスを用いて測定した。そして、下記式より、形状変化率〔％〕を算出した。形状変化率の絶対値は、小さいほど好ましく、６〔％〕以下であると、寸法変化率が良好であると判断した。

各Ｗ／Ｂの自硬性材料の硬化体の形状変化率の評価結果を下記表４に示す。

上記表１〜表３の結果から、アルカリの質量モル濃度が２〔ｍｏｌ／ｋｇ〕以上であり、Ｓｉ元素の溶解濃度が２００００〔質量ｐｐｍ〕以上であり、加熱溶解前後のＳｉ元素の溶解濃度の差が２０００〔質量ｐｐｍ〕以下である、本発明に係る硬化助剤溶液２〜９および１１は、１時間静置後のＳｉ元素の溶解濃度と、２４時間静置後のＳｉ元素の溶解濃度との差の絶対値が２９００〔質量ｐｐｍ〕以下となり、Ｓｉ元素の溶解濃度の経時安定性が高いことが確認された。なお、Ｓｉ元素の溶解濃度は、静置時間をより長くして同様の試験を行った場合であっても、その値は大きく変化することはなく、ほぼ同様の結果が得られた。また、本発明に係る硬化助剤溶液２〜９および１１を用いて調製された自硬性材料の硬化体は、圧縮強度が高いことが確認された。硬化体の品質安定性が高い場合、同種の組成の原料から製造される硬化体の比較では、硬化体の組成や物性の均一性が高いことから、硬化体の強度が高くなる傾向がある。

さらに、硬化助剤溶液の調製から自硬性材料の調製における硬化対象物との混合までの時間を変化させた場合について、以下の実験を行った。本発明に係る硬化助剤溶液Ｎｏ．３について、調製から１８日後の溶液を用いて、Ｗ／Ｂ＝４０％の自硬性材料を調製して得られた硬化体の圧縮強度を上記方法にて測定した。また、調製から６５日後の溶液を用いて、Ｗ／Ｂ＝４０％の自硬性材料を調製して得られた硬化体の圧縮強度を上記方法にて測定した。調製から１８日後の硬化助剤溶液Ｎｏ．３を用いて得られた硬化体の圧縮強度は、２８．３（Ｎ／ｍｍ^２）であり、調製から６５日後の硬化助剤溶液Ｎｏ．３を用いて得られた硬化体の圧縮強度は、２６．１（Ｎ／ｍｍ^２）であった。なお、上記表３に記載したように、調製から２４時間後の硬化助剤溶液Ｎｏ．３を用いて得られた硬化体の圧縮強度は、２６．１（Ｎ／ｍｍ^２）である。このように、硬化助剤溶液Ｎｏ．３は、経時が異なる場合であっても、これを用いて調製される自硬性材料の硬化体の圧縮強度の変化は小さいことが確認された。すなわち、Ｓｉ元素の溶解濃度の経時安定性が高い硬化助剤溶液Ｎｏ．３を用いることで、自硬性材料の硬化体の圧縮強度の経時安定性の向上との観点からも、硬化体の品質安定性が向上することが確認された。なお、本発明に係る硬化助剤溶液Ｎｏ．３と同様に、Ｓｉ元素の溶解濃度の経時安定性が高い本発明に係る硬化助剤溶液２、４〜９および１１についても同様の結果が得られると推定される。

一方、上記表１および上記表２の結果から、本発明の範囲外である硬化助剤溶液１２〜１４は、１時間静置後のＳｉ元素の溶解濃度と、２４時間静置後のＳｉ元素の溶解濃度との差の絶対値が、それぞれ１１２００〔質量ｐｐｍ〕、１７６００〔質量ｐｐｍ〕、６２２００〔質量ｐｐｍ〕となり、また、本発明の範囲外である硬化助剤溶液１５は、粘度が増加し、２４時間静置後のＳｉ元素の溶解濃度が正確に測定できないほどにＳｉ元素の濃度が極めて大きくなり、Ｓｉ元素の溶解濃度の経時安定性に劣ることが確認された。硬化助剤溶液１２〜１５は、Ｓｉ元素の溶解濃度の経時安定性が大きく、Ｓｉ元素を含む化合物の溶け残りが存在すると考えられる。この溶け残りの存在によって、硬化助剤溶液や自硬性材料の組成の均一性も低くなり、その結果、硬化体の組成や物性の均一性も低くなり、硬化体の強度も低くなると推定される。また、硬化助剤溶液１２〜１５を用いて製造した自硬性材料の硬化体は、硬化助剤溶液の調製から自硬性材料の調製における硬化対象物との混合までの時間を変化させた場合、これらを用いて製造した自硬性材料の硬化体の圧縮強度等の物性も変化する結果となり、品質安定性に劣る結果となることは明らかである。

さらに、上記表１〜表３の結果から、本発明の範囲外である硬化助剤溶液１および１０は、Ｓｉ元素の溶解濃度の経時安定性は良好であるものの、これを用いて調製された自硬性材料の硬化体は、圧縮強度に劣ることが確認された。

Claims (19)

1. Ｓｉ元素と、アルカリと、分散媒と、を含み、
   前記分散媒は水を含み、
   前記Ｓｉ元素の溶解濃度が２００００質量ｐｐｍ以上であり、
   前記分散媒１ｋｇ中に存在する前記アルカリのｍｏｌ数が２ｍｏｌ／ｋｇ以上であり、
   濃度３ｍｏｌ／ＬのＫＯＨ水溶液を用いて質量基準で２倍に希釈した液について、液温８０℃で５時間加熱した後、２５℃の周囲環境下で１時間静置する加熱溶解試験の前後における、Ｓｉ元素の溶解濃度の変化量の絶対値が２０００質量ｐｐｍ以下であり、
   少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体を含む粉体を硬化するために用いられる硬化助剤溶液。
2. ケイ酸イオンのＱ３率が４５％以下である、請求項１に記載の硬化助剤溶液。
3. 前記アルカリは、アルカリ金属または第２族金属の水酸化物である、請求項１または２に記載の硬化助剤溶液。
4. 前記少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体は、表面が非晶質化された、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の硬化助剤溶液。
5. 前記表面が非晶質化された、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体は、表面が非晶質化されたフライアッシュを含む、請求項４に記載の硬化助剤溶液。
6. 前記Ｓｉ元素の溶解濃度が１２００００質量ｐｐｍ以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の硬化助剤溶液。
7. 前記分散媒１ｋｇ中に存在する前記アルカリのｍｏｌ数が６ｍｏｌ／ｋｇ以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の硬化助剤溶液。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の硬化助剤溶液と、少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体とを含む、自硬性材料。
9. ＣａＯ含有率が１５質量％以下である粉体を含み、前記粉体は、前記少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体を含む、請求項８に記載の自硬性材料。
10. 請求項８または９に記載の自硬性材料の硬化物である、硬化体。
11. Ｓｉ元素を含む化合物と、分散媒１ｋｇ中に存在するアルカリのｍｏｌ数が２ｍｏｌ／ｋｇ以上であり、かつ水を含むアルカリ溶液とを混合して混合溶液を得ることを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の硬化助剤溶液の製造方法。
12. 前記混合溶液を液温８０℃以上で５時間以上加熱することをさらに含む、請求項１１に記載の硬化助剤溶液の製造方法。
13. 前記Ｓｉ元素を含む化合物は、非晶質シリカである、請求項１１または１２に記載の硬化助剤溶液の製造方法。
14. ケイ酸アルカリ金属塩またはケイ酸第２族金属塩を混合することを含まない、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の硬化助剤溶液の製造方法。
15. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の硬化助剤溶液を準備すること、または請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の方法によって硬化助剤溶液を製造することと、
    少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体をメカノケミカル処理することと、
    前記準備された硬化助剤溶液または前記製造された硬化助剤溶液と、前記メカノケミカル処理後の前記セラミックス粉体とを混合することと、
    を含む、自硬性材料の製造方法。
16. 前記準備された硬化助剤溶液または前記製造された硬化助剤溶液と、前記メカノケミカル処理後の前記セラミックス粉体とを混合した後、骨材をさらに混合することを含む、請求項１５に記載の自硬性材料の製造方法。
17. 前記自硬性材料は、ＣａＯ含有率が１５質量％以下である粉体を含み、前記粉体は、前記少なくとも表面にＳｉ元素を含むセラミックス粉体を含む、請求項１５または１６に記載の自硬性材料の製造方法。
18. 請求項８もしくは９に記載の自硬性材料を準備すること、または請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の自硬性材料の製造方法によって自硬性材料を製造することと、
    前記準備された自硬性材料または前記製造された自硬性材料を硬化することと、
    を含む、硬化体の製造方法。
19. 前期硬化後の自硬性材料を５０℃以上で加熱養生することを含まない、請求項１８に記載の硬化体の製造方法。