JP2023131119A - セメント組成物 - Google Patents
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Abstract
【課題】良好な強度発現性を有するとともに、優れた流動性を発現することのできるセメント組成物に関する。【解決手段】モンモリロナイトの含有量が６０質量％以上である粘土（ａ）をか焼してなるか焼粉末（Ａ）、石灰石粉末（Ｂ）、セメントクリンカ粉末（Ｃ）、及び石こう粉末（Ｄ）を含むセメント組成物。【選択図】なし
Description
本発明は、良好な強度発現性を有するとともに、優れた流動性を発現するセメント組成物に関する。
近年、世界的に温室効果ガスの排出量の低減が提唱されるなか、多大なエネルギー消費を伴うセメント産業においても、ＣＯ2排出量の削減を試みることが要求されている。セメントの生産過程にて、効果的にＣＯ2排出量の削減する一策としては、セメント組成物のクリンカ含有量を低減することが挙げられる。ところが、かかるクリンカの代替材料として、スラグやフライアッシュ等が挙げられるものの、その枯渇も懸念されるため、優良な代替材料を実現するための開発が日々活発化している。
例えば、非特許文献１には、か焼粘土のか焼カオリン含有量が５０％のクリンカを含む石灰石か焼粘土に関する研究内容が開示されており、セメント組成物の原料用粘土としての有用性が記されている。
Ａｖｅｔ ｆｒａｎｃｏｉｓ ｅｔｃ．，"Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｌｃｉｎｅｄ ｋａｏｌｉｎｉｔｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ Ｃａｌｃｉｎｅｄ Ｃｌａｙ Ｃｅｍｅｎｔ (ＬＣ3)"， Ｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｒｅｓｅｒｃｈ， ｖｏｌ. １０７， ２０１８， p.１２４－１３５
しかしながら、か焼カオリン粘土を用いると、一般的に混和剤吸着量が増大してしまうおそれがあるとともに、流動性も低下してしまうため、依然として優良な代替材料の実現が強く望まれている。
したがって、本発明の課題は、良好な強度発現性を有するとともに、優れた流動性を発現することのできるセメント組成物に関する。
そこで本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、モンモリロナイトの含有量が高い粘土をか焼したか焼粘土を用いることにより、良好な強度発現性を保持したまま流動性を高めることのできるセメント組成物が得られることを見出した。
すなわち、本発明は、モンモリロナイトの含有量が６０質量％以上である粘土（ａ）をか焼してなるか焼粉末（Ａ）、石灰石粉末（Ｂ）、セメントクリンカ粉末（Ｃ）、及び石こう粉末（Ｄ）を含むセメント組成物を提供するものである。
本発明によれば、カオリン粘土に代えて、入手容易な粘土を活用しつつ、良好な強度発現性を有するとともに優れた流動性を発現することができ、ＣＯ2排出量の削減への寄与が大いに期待される。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明のセメント組成物は、モンモリロナイトの含有量が６０質量％以上である粘土（ａ）をか焼してなるか焼粉末（Ａ）を含有する。
粘土（ａ）は、粘土鉱物であるモンモリロナイトを主成分とする、いわゆる「ベントナイト」と称される弱アルカリ性粘土岩である。ベントナイトは、モンモリロナイトのほか、石英、α－クリストバライト、オパール等の珪酸鉱物を副成分として含み、さらに長石、マイカ、ゼオライト等の珪酸塩鉱物；カルサイト、ドロマイト、ジプサムなどの炭酸塩鉱物や硫酸塩鉱物；パイライト等の硫化鉱物も含み得る粘土である。かかる粘土（ａ）は、カオリン粘土よりも入手容易でもあり、活用性の高い原料である。
なお、粘土（ａ）中におけるモンモリロナイトの同定は、Ｘ線粉末回折を用いて求めることができる。
本発明のセメント組成物は、モンモリロナイトの含有量が６０質量％以上である粘土（ａ）をか焼してなるか焼粉末（Ａ）を含有する。
粘土（ａ）は、粘土鉱物であるモンモリロナイトを主成分とする、いわゆる「ベントナイト」と称される弱アルカリ性粘土岩である。ベントナイトは、モンモリロナイトのほか、石英、α－クリストバライト、オパール等の珪酸鉱物を副成分として含み、さらに長石、マイカ、ゼオライト等の珪酸塩鉱物；カルサイト、ドロマイト、ジプサムなどの炭酸塩鉱物や硫酸塩鉱物；パイライト等の硫化鉱物も含み得る粘土である。かかる粘土（ａ）は、カオリン粘土よりも入手容易でもあり、活用性の高い原料である。
なお、粘土（ａ）中におけるモンモリロナイトの同定は、Ｘ線粉末回折を用いて求めることができる。
本発明のセメント組成物では、モンモリロナイトの含有量が６０質量％以上である粘土（ａ）を用い、これをか焼して得られるか焼粉末（Ａ）を含有させる。
モンモリロナイトの含有量は、か焼カオリン粘土の代替技術としての有用性を高める観点、及び優れた流動性を発現させる観点から、粘土（ａ）中に、６０質量％以上であって、好ましくは６５質量％以上であり、より好ましくは７０質量％以上であり、さらに好ましくは７５質量％以上である。かかる含有量の上限値は特に制限されないが、通常９０質量％以下である。
なお、粘土（ａ）中におけるモンモリロナイトの含有量は、熱重量測定（Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｙ、ＴＧ）を用いて求めることができる。
モンモリロナイトの含有量は、か焼カオリン粘土の代替技術としての有用性を高める観点、及び優れた流動性を発現させる観点から、粘土（ａ）中に、６０質量％以上であって、好ましくは６５質量％以上であり、より好ましくは７０質量％以上であり、さらに好ましくは７５質量％以上である。かかる含有量の上限値は特に制限されないが、通常９０質量％以下である。
なお、粘土（ａ）中におけるモンモリロナイトの含有量は、熱重量測定（Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｙ、ＴＧ）を用いて求めることができる。
粘土（ａ）の平均粒径は、優れた流動性の発現を確保する観点から、好ましくは７μｍ～２５μｍであり、より好ましくは１０μｍ～２０μｍである。
なお、粘土（ａ）における「平均粒径」とは、レーザー回折・散乱法に基づく体積基準の粒度分布により得られるＤ50値（累積５０％での粒径（メジアン径））であり、実施例にも記載するとおり、溶媒として炭酸ナトリウム水溶液（２Ｎ）を用いることにより測定される値を意味する。
なお、粘土（ａ）における「平均粒径」とは、レーザー回折・散乱法に基づく体積基準の粒度分布により得られるＤ50値（累積５０％での粒径（メジアン径））であり、実施例にも記載するとおり、溶媒として炭酸ナトリウム水溶液（２Ｎ）を用いることにより測定される値を意味する。
粘土（ａ）のＢＥＴ比表面積は、上記と同様の観点、及びさらに強度も良好とする観点から、好ましくは１０ｍ2／ｇ～５０ｍ2／ｇであり、より好ましくは２５ｍ2／ｇ～４０ｍ2／ｇである。
なお、粘土（ａ）のＢＥＴ比表面積とは、窒素吸着法による吸着等温線から求められる値を意味し、例えば流動式比表面積自動測定装置（ＦｌｏｗＳｏｒｂIII２３０５、島津製作所社製）を用いて、窒素を３０％含有する窒素・ヘリウム混合ガスとする条件で測定することができる。
なお、粘土（ａ）のＢＥＴ比表面積とは、窒素吸着法による吸着等温線から求められる値を意味し、例えば流動式比表面積自動測定装置（ＦｌｏｗＳｏｒｂIII２３０５、島津製作所社製）を用いて、窒素を３０％含有する窒素・ヘリウム混合ガスとする条件で測定することができる。
粘土（ａ）中のＫ2Ｏの含有率は、か焼によるか焼粉末の品質変動を抑制する観点から、好ましくは１質量％以上であり、より好ましくは２質量％以上である。かかる含有量の上限値は特に制限されないが、通常５質量％以下である。
粘土（ａ）の強熱減量は、セメント組成物の強度発現性及び流動性を高める観点から、好ましくは５質量％～２０質量％であり、より好ましくは７．５質量％～１５質量％である。
なお、粘土（ａ）の強熱減量とは、「ＪＩＳ Ｒ ５２０２（セメントの化学分析方法）」に準拠して測定される値を意味する。
なお、粘土（ａ）の強熱減量とは、「ＪＩＳ Ｒ ５２０２（セメントの化学分析方法）」に準拠して測定される値を意味する。
本発明のセメント組成物は、上記粘土（ａ）をか焼してなるか焼粉末（Ａ）を含有する。
かかるか焼粉末（Ａ）の強熱減量は、か焼カオリン粘土の代替技術としての有用性を高める観点、及び優れた流動性を発現させる観点から、好ましくは３．０質量％以下であり、より好ましくは０．０５質量％以上２．５質量％以下であり、さらに好ましくは０．３質量％以上１．８質量％以下であり、またさらに好ましくは０．５質量％以上１．５質量％以下である。
なお、か焼粉末（Ａ）の強熱減量とは、熱重量測定（Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｙ（ＴＧ））により得られる値を意味する。
かかるか焼粉末（Ａ）の強熱減量は、か焼カオリン粘土の代替技術としての有用性を高める観点、及び優れた流動性を発現させる観点から、好ましくは３．０質量％以下であり、より好ましくは０．０５質量％以上２．５質量％以下であり、さらに好ましくは０．３質量％以上１．８質量％以下であり、またさらに好ましくは０．５質量％以上１．５質量％以下である。
なお、か焼粉末（Ａ）の強熱減量とは、熱重量測定（Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｙ（ＴＧ））により得られる値を意味する。
か焼粉末（Ａ）の累積熱量（Ｒ3）は、セメント組成物の強度を保持する観点から、好ましくは１０Ｊ／ｇ以上であり、より好ましくは１３Ｊ／ｇ～５０Ｊ／ｇであり、さらに好ましくは２０Ｊ／ｇ～５０Ｊ／ｇであり、また２３Ｊ／ｇ～４０Ｊ／ｇであり、よりさらに好ましくは２５Ｊ／ｇ～３８Ｊ／ｇである。
なお、累積熱量（Ｒ3）とは、ＡＳＴＭ規格 Ｃ１８９７－２０に準拠し、１０．１．３の記載にしたがって、混合から１６８時間（７日間）経過後の累積熱量（Ｊ／ｇ）の値を意味する。
なお、累積熱量（Ｒ3）とは、ＡＳＴＭ規格 Ｃ１８９７－２０に準拠し、１０．１．３の記載にしたがって、混合から１６８時間（７日間）経過後の累積熱量（Ｊ／ｇ）の値を意味する。
か焼粉末（Ａ）の平均粒径は、優れた流動性の発現を確保する観点から、好ましくは２μｍ～２０μｍであり、より好ましくは３μｍ～１０μｍである。
なお、か焼粉末（Ａ）における「平均粒径」とは、粘土（ａ）における「平均粒径」と同様の方法により得られるＤ50値（累積５０％での粒径（メジアン径））であり、実施例にも記載するとおり、溶媒として炭酸ナトリウム水溶液（２Ｎ）を用いることにより測定される値を意味する。
また、か焼粉末（Ａ）におけるＤ50値について、実施例にも記載するとおり、溶媒としてエタノールを用いることにより測定される値を「Ｄ50エタノール値」と称した場合、かかるＤ50エタノール値は、好ましくは３μｍ～８０μｍであり、より好ましくは５μｍ～５０μｍである。
なお、か焼粉末（Ａ）における「平均粒径」とは、粘土（ａ）における「平均粒径」と同様の方法により得られるＤ50値（累積５０％での粒径（メジアン径））であり、実施例にも記載するとおり、溶媒として炭酸ナトリウム水溶液（２Ｎ）を用いることにより測定される値を意味する。
また、か焼粉末（Ａ）におけるＤ50値について、実施例にも記載するとおり、溶媒としてエタノールを用いることにより測定される値を「Ｄ50エタノール値」と称した場合、かかるＤ50エタノール値は、好ましくは３μｍ～８０μｍであり、より好ましくは５μｍ～５０μｍである。
か焼粉末（Ａ）のＢＥＴ比表面積は、上記と同様の観点から、好ましくは０．５ｍ2／ｇ～３０ｍ2／ｇであり、より好ましくは０．６ｍ2／ｇ～２０ｍ2／ｇであり、さらに好ましくは０．８ｍ2／ｇ～１０ｍ2／ｇであり、またさらに好ましくは１．０ｍ2／ｇ～５ｍ2／ｇである。
なお、か焼粉末（Ａ）のＢＥＴ比表面積とは、粘土（ａ）における「ＢＥＴ比表面積」と同様、窒素吸着法による吸着等温線から求められる値を意味し、例えば流動式比表面積自動測定装置（ＦｌｏｗＳｏｒｂIII２３０５、島津製作所社製）を用いて、窒素を３０％含有する窒素・ヘリウム混合ガスとする条件で測定することができる。
なお、か焼粉末（Ａ）のＢＥＴ比表面積とは、粘土（ａ）における「ＢＥＴ比表面積」と同様、窒素吸着法による吸着等温線から求められる値を意味し、例えば流動式比表面積自動測定装置（ＦｌｏｗＳｏｒｂIII２３０５、島津製作所社製）を用いて、窒素を３０％含有する窒素・ヘリウム混合ガスとする条件で測定することができる。
また、か焼粉末（Ａ）のブレーン比表面積は、上記と同様の観点から、好ましくは１５００ｃｍ2／ｇ～１００００ｃｍ2／ｇであり、より好ましくは２０００ｃｍ2／ｇ～８５００ｃｍ2／ｇであり、さらに好ましくは３０００ｃｍ2／ｇ～５０００ｃｍ2／ｇであり、またさらに好ましくは３５００ｃｍ2／ｇ～４６００ｃｍ2／ｇである。
なお、か焼粉末（Ａ）のブレーン比表面積とは、「ＪＩＳ Ｒ ５２０１（セメントの物理試験方法）」に準拠して測定される値を意味する。
なお、か焼粉末（Ａ）のブレーン比表面積とは、「ＪＩＳ Ｒ ５２０１（セメントの物理試験方法）」に準拠して測定される値を意味する。
か焼粉末（Ａ）の含有量は、良好な強度発現性と優れた流動性の発現を確保する観点から、か焼粉末（Ａ）、石灰石粉末（Ｂ）、セメントクリンカ粉末（Ｃ）、及び石こう粉末（Ｄ）の合計量１００質量％中に、好ましくは５質量％～４５質量％であり、より好ましくは１０質量％～４５質量％であり、さらに好ましくは１５質量％～４５質量％であり、またさらに好ましくは１５質量％～４０質量％であり、よりさらに好ましくは１５質量％～３５質量％である。
なお、粘土（ａ）をか焼してか焼粉末（Ａ）を得るにあたっては、良好な強度発現性と優れた流動性の発現を確保する観点から、か焼温度を７５０℃～１２００℃とするのが好ましく、７７５℃～１１５０℃とするのがより好ましく、８００℃～１１００℃とするのがさらに好ましい。また、かかるか焼温度の保持時間を、０．１時間～５時間とするのが好ましく、０．２５時間～３時間とするのがより好ましい。
なお、か焼するにあたり、キルン、電気炉、流動床炉等の常法により用いられる設備を活用することができる。
なお、か焼するにあたり、キルン、電気炉、流動床炉等の常法により用いられる設備を活用することができる。
具体的には、例えばか焼する設備として、熱履歴を一定に保持できる電気炉等を用いる場合、か焼温度を７５０℃～９５０℃とするのが好ましく、７７５℃～９００℃とするのがより好ましく、８００℃～８５０℃とするのがさらに好ましい。また、かかるか焼温度の保持時間を、０．１時間～５時間とするのが好ましく、０．２５時間～３時間とするのがより好ましく、０．５時間～１時間とするのがさらに好ましい。
また、か焼する設備として、内燃式ロータリーキルン等のキルンを用いる場合、適切なか焼温度になるよう、炉内最高温度を適宜調整すればよく、さらに炉内最高温度に応じて窯尻ガス温度も適宜設定すればよい。かかる炉内最高温度は、８００℃～１２００℃とするのが好ましく、９００℃～１１５０℃とするのがより好ましく、９５０℃～１１００℃とするのがさらに好ましい。さらに炉内における滞留時間を、０．５時間～３時間とするのが好ましく、０．８時間～２．５時間とするのがより好ましい。
本発明のセメント組成物は、石灰石粉末（Ｂ）を含有する。かかる石灰石粉末（Ｂ）としては、石灰石を粉砕したものであってもよく、生コンスラッジやコンクリートの粉末を炭酸化したものであってもよい。
石灰石粉末（Ｂ）中のＣａＣＯ3の含有率は、良好な流動性を確保する観点から、好ましくは９０質量％以上であり、より好ましくは９５質量％以上である。
石灰石粉末（Ｂ）のブレーン比表面積は、上記と同様の観点から、好ましくは２５００ｃｍ2／ｇ～８０００ｃｍ2／ｇであり、より好ましくは４０００ｃｍ2／ｇ～６０００ｃｍ2／ｇである。
石灰石粉末（Ｂ）中のＣａＣＯ3の含有率は、良好な流動性を確保する観点から、好ましくは９０質量％以上であり、より好ましくは９５質量％以上である。
石灰石粉末（Ｂ）のブレーン比表面積は、上記と同様の観点から、好ましくは２５００ｃｍ2／ｇ～８０００ｃｍ2／ｇであり、より好ましくは４０００ｃｍ2／ｇ～６０００ｃｍ2／ｇである。
石灰石粉末（Ｂ）の含有量は、良好な強度発現性と優れた流動性の発現を確保する観点から、か焼粉末（Ａ）、石灰石粉末（Ｂ）、セメントクリンカ粉末（Ｃ）、及び石こう粉末（Ｄ）の合計量１００質量％中に、好ましくは３質量％～３０質量％であり、より好ましくは３質量％～２５質量％であり、さらに好ましくは５質量％～２５質量％であり、またさらに好ましくは１０質量％～２０質量％であり、よりさらに好ましくは１２質量％～２０質量％である。
石灰石粉末（Ｂ）の含有量とか焼粉末（Ａ）の含有量との質量比（（Ｂ）／（Ａ））は、良好な強度発現性と優れた流動性の発現を確保する観点、及びＣＯ2排出量の削減に大いに寄与させる観点から、好ましくは０．１～２．０であり、より好ましくは０．２～１．５であり、その他の材料、特にセメントクリンカ粉末（Ｃ）によっても変動し得るが、より好ましくは０．２～１であり、さらに好ましくは０．２５～０．６６である。
本発明のセメント組成物は、セメントクリンカ粉末（Ｃ）を含有する。セメントクリンカ粉末（Ｃ）とは、ＣａＯ原料やＳｉＯ2原料、Ｆｅ2Ｏ3原料等を用い、これらを粉砕及び混合した後、ＮＳＰキルンやＳＰキルン等の常法により用いられる設備にて、焼成することにより得られる粉末である。
なお、本明細書において、セメントクリンカ粉末とは、焼成後に混合される石こうやその他少量成分を含まないセメントクリンカのみから構成される粉末を意味する。
なお、本明細書において、セメントクリンカ粉末とは、焼成後に混合される石こうやその他少量成分を含まないセメントクリンカのみから構成される粉末を意味する。
セメントクリンカとしては、普通ポルトランドセメントクリンカ、早強ポルトランドセメントクリンカ、超早強ポルトランドセメントクリンカ、中庸熱ポルトランドセメントクリンカ、低熱ポルトランドセメントクリンカ、耐硫酸塩ポルトランドセメントクリンカ、及びエコセメントクリンカから選ばれる１種又は２種以上が挙げられる。なかでも、良好な強度発現性を確保する観点から、普通ポルトランドセメントクリンカ、及び早強ポルトランドセメントクリンカから選ばれる１種又は２種が好ましい。
セメントクリンカ粉末（Ｃ）の含有量は、良好な強度発現性と優れた流動性の発現を確保する観点から、か焼粉末（Ａ）、石灰石粉末（Ｂ）、セメントクリンカ粉末（Ｃ）、及び石こう粉末（Ｄ）の合計量１００質量％中に、好ましくは２５質量％～９０質量％であり、より好ましくは３０質量％～８０質量％であり、さらに好ましくは４０質量％～７０質量％である。
セメントクリンカ粉末（Ｃ）の含有量と、か焼粉末（Ａ）及び石灰石粉末（Ｂ）の合計含有量との質量比（（Ｃ）／（（Ａ）＋（Ｂ）））は、良好な強度発現性と優れた流動性の発現を確保する観点から、好ましくは０．３～２であり、より好ましくは０．５～１．５であり、さらに好ましくは０．６６～１．２である。
本発明のセメント組成物は、石こう粉末（Ｄ）を含有する。かかる石こう粉末（Ｄ）としては、二水石こう粉末、α型半水石こう粉末、β型半水石こう粉末、及び無水石こう粉末から選ばれる１種又は２種以上が挙げられる。成因別の石こうの種類としては、特に制限されず、例えば、天然石こう、排煙脱硫石こう、リン酸石こう、チタン石こう、フッ酸石こう、及び精錬石こう等から選ばれる１種又は２種以上が挙げられる。
石こう粉末（Ｄ）の含有量は、良好な強度発現性と優れた流動性の発現を確保する観点から、か焼粉末（Ａ）、石灰石粉末（Ｂ）、セメントクリンカ粉末（Ｃ）、及び石こう粉末（Ｄ）の合計量１００質量％中に、好ましくは２質量％～１５質量％であり、より好ましくは３質量％～１０質量％であり、さらに好ましくは５質量％～８質量％である。
なお、ＳＯ3換算値での石こう粉末（Ｄ）の含有量は、好ましくは０．５質量％～１２質量％であり、より好ましくは１質量％～８質量％であり、さらに好ましくは３質量％～６質量％である。
なお、ＳＯ3換算値での石こう粉末（Ｄ）の含有量は、好ましくは０．５質量％～１２質量％であり、より好ましくは１質量％～８質量％であり、さらに好ましくは３質量％～６質量％である。
なお、セメントクリンカ粉末（Ｃ）として、普通ポルトランドセメントや早強ポルトランドセメント等の、セメントクリンカ粉末（Ｃ）と石こう粉末（Ｄ）との混合物を用いることもできる。この場合、かかる混合物中におけるセメントクリンカ粉末（Ｃ）、及び石こう粉末（Ｄ）の含有率を勘案し、セメントクリンカ粉末（Ｃ）及び石こう粉末（Ｄ）の含有量や質量比が各々上記範囲となるように調整すればよい。
本発明のセメント組成物におけるか焼粉末（Ａ）、石灰石粉末（Ｂ）、セメントクリンカ粉末（Ｃ）、及び石こう粉末（Ｄ）の各含有量は、Ｘ線回折リートベルト解析法を用いた晶質相の定量結果から換算して求めることができる。
本発明のセメント組成物は、上記か焼粉末（Ａ）、石灰石粉末（Ｂ）、セメントクリンカ粉末（Ｃ）、及び石こう粉末（Ｄ）のほか、適宜必要に応じて、高炉スラグ粉末、石炭溶融スラグ粉末、フライアッシュ等のその他の材料を含有してもよい。
なお、本発明のセメント組成物全量１００質量％中におけるか焼粉末（Ａ）、石灰石粉末（Ｂ）、セメントクリンカ粉末（Ｃ）、及び石こう粉末（Ｄ）の合計含有量は、好ましくは７５質量％以上であり、より好ましくは８０質量％以上であり、さらに好ましくは９０質量％以上である。
なお、本発明のセメント組成物全量１００質量％中におけるか焼粉末（Ａ）、石灰石粉末（Ｂ）、セメントクリンカ粉末（Ｃ）、及び石こう粉末（Ｄ）の合計含有量は、好ましくは７５質量％以上であり、より好ましくは８０質量％以上であり、さらに好ましくは９０質量％以上である。
本発明のセメント組成物の製造方法は、特に制限されず、常法により製造することができるが、粘土（ａ）を上記か焼温度にてか焼することにより、か焼粉末（Ａ）を得る工程を含む。すなわち、予め粘土（ａ）を上記か焼温度にてか焼してか焼粉末（Ａ）を得た後、例えば、別途個別に粉砕等により調製した石灰石粉末（Ｂ）、セメントクリンカ粉末（Ｃ）、石こう粉末（Ｄ）、及び必要に応じてその他の材料をかかるか焼粉末（Ａ）とともに一括して混合してもよく、か焼粉末（Ａ）、石灰石粉末（Ｂ）、セメントクリンカ粉末（Ｃ）、石こう粉末（Ｄ）、及び必要に応じてその他の材料を混合した後、一括してこれらを粉砕してもよい。なお、粉砕助剤として、ジエチレングリコール、トリイソプロパノールアミン等の公知のものを用いることができる。
このようにして得られた本発明のセメント組成物は、通常、水、細骨材や粗骨材等の骨材、、及び必要に応じてその他の材料を混合することにより、ペースト、モルタル、又はコンクリートを製造することができる。
このようにして得られた本発明のセメント組成物は、通常、水、細骨材や粗骨材等の骨材、、及び必要に応じてその他の材料を混合することにより、ペースト、モルタル、又はコンクリートを製造することができる。
以下、本発明について、実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
［製造例１：電気炉を用いたか焼粉末（Ａ）の製造］
か焼粉末（Ａ）の原料とする粘土（ａ）として、表１に示す粘土（ａ１）（ベントナイト）、粘土（ａ２）（ベントナイト）又は粘土（ｘ）（カオリン）を用いた。各粘土としては、常温風乾され、粉砕された市販品を用いた。
次いで、電気炉を用い、表２の記載にしたがって、各所定のか焼温度にて保持時間を１時間とすることにより、各粘土（ａ）をか焼し、か焼粉末（Ａ１－１）～（Ａ１－４）、（Ａ２－１）～（Ａ２－４）、及び（Ｘ－１）～（Ｘ－４）を得た。
なお、各粘土及びか焼粉末の物性等については、以下の方法にしたがって測定を行った。
各々の結果を表１～２に示す。
か焼粉末（Ａ）の原料とする粘土（ａ）として、表１に示す粘土（ａ１）（ベントナイト）、粘土（ａ２）（ベントナイト）又は粘土（ｘ）（カオリン）を用いた。各粘土としては、常温風乾され、粉砕された市販品を用いた。
次いで、電気炉を用い、表２の記載にしたがって、各所定のか焼温度にて保持時間を１時間とすることにより、各粘土（ａ）をか焼し、か焼粉末（Ａ１－１）～（Ａ１－４）、（Ａ２－１）～（Ａ２－４）、及び（Ｘ－１）～（Ｘ－４）を得た。
なお、各粘土及びか焼粉末の物性等については、以下の方法にしたがって測定を行った。
各々の結果を表１～２に示す。
［製造例２：キルンを用いたか焼粉末（Ａ）の製造］
か焼粉末（Ａ）の原料とする粘土（ａ）として、製造例１と同様、表１に示す粘土（ａ１）を用いた。
次いで、内燃式ロータリーキルン（寸法：４５０Φ×８．３４０Ｌ（Ｌ／Ｄ＝１８．５３）（ｍｍ）、傾斜角：勾配０．０５（２．８６°））を用い、原料送入量：４０ｋｇ／ｈ、キルン回転速度：３０ｒｐｈの条件を採用した。そして、表３の記載にしたがって窯尻ガス温度及び炉内最高温度を設定し、滞留時間を２時間とすることにより、粘土（ａ１）をか焼し、か焼粉末（Ａ１－５）～（Ａ１－９）を得た。
なお、か焼粉末の物性等については、製造例１と同様、以下の方法にしたがって測定を行った。
結果を表３に示す。
か焼粉末（Ａ）の原料とする粘土（ａ）として、製造例１と同様、表１に示す粘土（ａ１）を用いた。
次いで、内燃式ロータリーキルン（寸法：４５０Φ×８．３４０Ｌ（Ｌ／Ｄ＝１８．５３）（ｍｍ）、傾斜角：勾配０．０５（２．８６°））を用い、原料送入量：４０ｋｇ／ｈ、キルン回転速度：３０ｒｐｈの条件を採用した。そして、表３の記載にしたがって窯尻ガス温度及び炉内最高温度を設定し、滞留時間を２時間とすることにより、粘土（ａ１）をか焼し、か焼粉末（Ａ１－５）～（Ａ１－９）を得た。
なお、か焼粉末の物性等については、製造例１と同様、以下の方法にしたがって測定を行った。
結果を表３に示す。
《粘土（ａ）の各物性》
密度は、「ＪＩＳ Ｒ ５２０１（セメントの物理試験方法）」に準拠して測定した。
ＢＥＴ比表面積は、流動式比表面積自動測定装置（ＦｌｏｗＳｏｒｂIII２３０５、島津製作所社製）を用い、窒素を３０％含有する窒素・ヘリウム混合ガスとする条件で測定し、窒素吸着法による吸着等温線から値を算出した。
平均粒径については、レーザー回折装置（マイクロトラックＭＴ３０００II、ＭｉｃｒｏｔｒａｃＢＥＬ社製）を用いて粒度分布を求め、Ｄ50値（μｍ）を測定した（粒子透過性：透過、粒子形状：非球形、粒子屈折率：１．５３、溶媒：炭酸ナトリウム水溶液（２Ｎ）、溶媒屈折率：１．３３）。
強熱減量は、「ＪＩＳ Ｒ ５２０２（セメントの化学分析方法）」に準拠して測定した。
密度は、「ＪＩＳ Ｒ ５２０１（セメントの物理試験方法）」に準拠して測定した。
ＢＥＴ比表面積は、流動式比表面積自動測定装置（ＦｌｏｗＳｏｒｂIII２３０５、島津製作所社製）を用い、窒素を３０％含有する窒素・ヘリウム混合ガスとする条件で測定し、窒素吸着法による吸着等温線から値を算出した。
平均粒径については、レーザー回折装置（マイクロトラックＭＴ３０００II、ＭｉｃｒｏｔｒａｃＢＥＬ社製）を用いて粒度分布を求め、Ｄ50値（μｍ）を測定した（粒子透過性：透過、粒子形状：非球形、粒子屈折率：１．５３、溶媒：炭酸ナトリウム水溶液（２Ｎ）、溶媒屈折率：１．３３）。
強熱減量は、「ＪＩＳ Ｒ ５２０２（セメントの化学分析方法）」に準拠して測定した。
《粘土（ａ）のモンモリロナイト含有量》
熱重量測定（Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｙ（ＴＧ））により４５０℃～６００℃の対理論減量に対する比を求め、モンモリロナイト含有量を算出した。理論減量は、モンモリロナイトをＡｌ2Ｈ2Ｏ12Ｓｉ4とした場合の、Ｈ2Ｏの含有量とした。
なお、粘土鉱物がモンモリロナイトであることは、Ｘ線粉末回折により確認した。
粘土（ａ１）のＸ線粉末回折パターン図を図１に示すとともに、粘土（ｘ）のＸ線粉末回折パターン図を図２に示す。図中、Ｍはモンモリロナイト、Ｉはイライト、Ｑは石英、Ｃｌは斜プチロル沸石、Ｋはカオリナイト、Ｃａは炭酸カルシウム、Ａは灰長石、Ｃはコランダム（標準試料）を表す。
熱重量測定（Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｙ（ＴＧ））により４５０℃～６００℃の対理論減量に対する比を求め、モンモリロナイト含有量を算出した。理論減量は、モンモリロナイトをＡｌ2Ｈ2Ｏ12Ｓｉ4とした場合の、Ｈ2Ｏの含有量とした。
なお、粘土鉱物がモンモリロナイトであることは、Ｘ線粉末回折により確認した。
粘土（ａ１）のＸ線粉末回折パターン図を図１に示すとともに、粘土（ｘ）のＸ線粉末回折パターン図を図２に示す。図中、Ｍはモンモリロナイト、Ｉはイライト、Ｑは石英、Ｃｌは斜プチロル沸石、Ｋはカオリナイト、Ｃａは炭酸カルシウム、Ａは灰長石、Ｃはコランダム（標準試料）を表す。
《粘土（ａ）の化学組成》
蛍光Ｘ線装置（ＺＳＸ Ｐｒｉｍｕｓ II、リガク社製）を用いた検量線（セメント原料粘土）により解析した。
蛍光Ｘ線装置（ＺＳＸ Ｐｒｉｍｕｓ II、リガク社製）を用いた検量線（セメント原料粘土）により解析した。
《か焼粉末（Ａ）の強熱減量》
熱重量測定（ＴＧ－ＤＴＡ２０００ＳＲ、ＢｒｕｋｅｒＡＸＳ社製）を用い、窒素ガス雰囲気中で２０℃毎分の速度で、１０００℃まで昇温したときの測定値から求めた。サンプル総質量に対する質量減少分を１００分率で示した。
熱重量測定（ＴＧ－ＤＴＡ２０００ＳＲ、ＢｒｕｋｅｒＡＸＳ社製）を用い、窒素ガス雰囲気中で２０℃毎分の速度で、１０００℃まで昇温したときの測定値から求めた。サンプル総質量に対する質量減少分を１００分率で示した。
《か焼粉末（Ａ）の累積熱量（ＡＳＴＭ規格 Ｃ１８９７－２０準拠によるＲ3）》
ＡＳＴＭ規格 Ｃ１８９７－２０に準拠し、１０．１．３の記載にしたがって、混合から１６８時間（７日間）経過後の累積熱量（Ｒ3（Ｊ／ｇ））を測定した。
ＡＳＴＭ規格 Ｃ１８９７－２０に準拠し、１０．１．３の記載にしたがって、混合から１６８時間（７日間）経過後の累積熱量（Ｒ3（Ｊ／ｇ））を測定した。
《か焼粉末（Ａ）の平均粒径》
レーザー回折装置（マイクロトラックＭＴ３０００II、ＭｉｃｒｏｔｒａｃＢＥＬ社製）を用いて粒度分布を求め、Ｄ50値（μｍ）を測定した（粒子透過性：透過、粒子形状：非球形、粒子屈折率：１．５３、溶媒：炭酸ナトリウム水溶液（２Ｎ）、溶媒屈折率：１．３３）。
また、上記と同様のレーザー回折装置（マイクロトラックＭＴ３０００II、ＭｉｃｒｏｔｒａｃＢＥＬ社製）を用い、粒子透過性：透過、粒子形状：非球形、粒子屈折率：１．５３、溶媒：エタノール、溶媒屈折率：１．３６としたときのＤ50値（μｍ）を、「Ｄ50エタノール値」として測定した。
レーザー回折装置（マイクロトラックＭＴ３０００II、ＭｉｃｒｏｔｒａｃＢＥＬ社製）を用いて粒度分布を求め、Ｄ50値（μｍ）を測定した（粒子透過性：透過、粒子形状：非球形、粒子屈折率：１．５３、溶媒：炭酸ナトリウム水溶液（２Ｎ）、溶媒屈折率：１．３３）。
また、上記と同様のレーザー回折装置（マイクロトラックＭＴ３０００II、ＭｉｃｒｏｔｒａｃＢＥＬ社製）を用い、粒子透過性：透過、粒子形状：非球形、粒子屈折率：１．５３、溶媒：エタノール、溶媒屈折率：１．３６としたときのＤ50値（μｍ）を、「Ｄ50エタノール値」として測定した。
《か焼粉末（Ａ）のその他の物性》
ＢＥＴ比表面積は、流動式比表面積自動測定装置（ＦｌｏｗＳｏｒｂIII２３０５、島津製作所社製）を用い、窒素を３０％含有する窒素・ヘリウム混合ガスとする条件で測定し、窒素吸着法による吸着等温線から値を算出した。
ブレーン比表面積は、「ＪＩＳ Ｒ ５２０１（セメントの物理試験方法）」に準拠して測定した。
ＢＥＴ比表面積は、流動式比表面積自動測定装置（ＦｌｏｗＳｏｒｂIII２３０５、島津製作所社製）を用い、窒素を３０％含有する窒素・ヘリウム混合ガスとする条件で測定し、窒素吸着法による吸着等温線から値を算出した。
ブレーン比表面積は、「ＪＩＳ Ｒ ５２０１（セメントの物理試験方法）」に準拠して測定した。
［実施例１～１１］
普通ポルトランドセメント（セメント協会製研究用セメント）（セメントクリンカ（Ｃ）の含有量：９６．５質量％、石こう粉末（Ｄ）の含有量：３．５質量％）を用い、製造例１で得られたか焼粉末（Ａ）、石灰石粉末（Ｂ）（ブレーン比表面積５０００ｃｍ2／ｇ）、セメントクリンカ粉末（Ｃ）、及び石こう粉末（Ｄ）（火力発電所廃脱石膏）を均一に混合することにより、各成分が表４に示す含有量である各セメント組成物を得た。
普通ポルトランドセメント（セメント協会製研究用セメント）（セメントクリンカ（Ｃ）の含有量：９６．５質量％、石こう粉末（Ｄ）の含有量：３．５質量％）を用い、製造例１で得られたか焼粉末（Ａ）、石灰石粉末（Ｂ）（ブレーン比表面積５０００ｃｍ2／ｇ）、セメントクリンカ粉末（Ｃ）、及び石こう粉末（Ｄ）（火力発電所廃脱石膏）を均一に混合することにより、各成分が表４に示す含有量である各セメント組成物を得た。
［実施例１２～１３］
普通ポルトランドセメントの代わりに市販の早強ポルトランドセメント（セメントクリンカ（Ｃ）の含有量：９６．５質量％、石こう粉末（Ｄ）の含有量：３．５質量％）を用いた以外、実施例１と同様にして各セメント組成物を得た。
普通ポルトランドセメントの代わりに市販の早強ポルトランドセメント（セメントクリンカ（Ｃ）の含有量：９６．５質量％、石こう粉末（Ｄ）の含有量：３．５質量％）を用いた以外、実施例１と同様にして各セメント組成物を得た。
なお、普通ポルトランドセメント及び市販の早強ポルトランドセメントの石膏含有量の値は、Ｘ線回折リートベルト解析法を用いた結果とした。
具体的には、まずＸ線回折装置（Ｄ８ ＡＤＶＡＮＣＥ Ａ－２５、ブルカー・エイエックスエス社製）によってＸ線回折パターンを測定した。次いで、解析ソフトウェア「ＤＩＦＦＲＡＣ ｐｌｕｓ ＴＯＰＡＳ（Ｖｅｒ．３．０）」（ブルカージャパン社製）を用いて、リードベルト法により解析した。かかる解析では、Ｘ線回折パターンの測定結果から得られた実測プロファイルに、Ｃ3Ｓ（エーライト）、Ｃ2Ｓ（ビーライト）、Ｃ3Ａ（アルミネート相）、Ｃ4ＡＦ（フェライト相）、水酸化カルシウム、ＭｇＯ、無水石膏、二水石膏、半水石膏、及びカルサイトの各鉱物の理論プロファイルをフィッティングして各晶質相の含有率を求め、上記各含有量に換算した。
具体的には、まずＸ線回折装置（Ｄ８ ＡＤＶＡＮＣＥ Ａ－２５、ブルカー・エイエックスエス社製）によってＸ線回折パターンを測定した。次いで、解析ソフトウェア「ＤＩＦＦＲＡＣ ｐｌｕｓ ＴＯＰＡＳ（Ｖｅｒ．３．０）」（ブルカージャパン社製）を用いて、リードベルト法により解析した。かかる解析では、Ｘ線回折パターンの測定結果から得られた実測プロファイルに、Ｃ3Ｓ（エーライト）、Ｃ2Ｓ（ビーライト）、Ｃ3Ａ（アルミネート相）、Ｃ4ＡＦ（フェライト相）、水酸化カルシウム、ＭｇＯ、無水石膏、二水石膏、半水石膏、及びカルサイトの各鉱物の理論プロファイルをフィッティングして各晶質相の含有率を求め、上記各含有量に換算した。
［比較例１］
実施例１で用いた普通ポルトランドセメント（セメント協会製研究用セメント）のみを用いることにより、セメント組成物を得た。
実施例１で用いた普通ポルトランドセメント（セメント協会製研究用セメント）のみを用いることにより、セメント組成物を得た。
［比較例２～５］
実施例１で用いた普通ポルトランドセメント（セメント協会製研究用セメント）を用い、実施例１と同様にして各セメント組成物を得た。
実施例１で用いた普通ポルトランドセメント（セメント協会製研究用セメント）を用い、実施例１と同様にして各セメント組成物を得た。
［比較例６］
か焼粉末（Ａ）の代わりに市販の高炉スラグ（塩基度１．９０、ブレーン比表面積４３９０ｃｍ2／ｇ）を用いた以外、実施例１と同様にして各セメント組成物を得た。
か焼粉末（Ａ）の代わりに市販の高炉スラグ（塩基度１．９０、ブレーン比表面積４３９０ｃｍ2／ｇ）を用いた以外、実施例１と同様にして各セメント組成物を得た。
［比較例７］
か焼粉末（Ａ）の代わりにフライアッシュ（ＪＩＳ II種相当品）を用いた以外、実施例１と同様にして各セメント組成物を得た。
か焼粉末（Ａ）の代わりにフライアッシュ（ＪＩＳ II種相当品）を用いた以外、実施例１と同様にして各セメント組成物を得た。
［実施例１４～２２］
製造例１で得られたか焼粉末（Ａ）の代わりに、製造例２で得られたか焼粉末（Ａ）を用いた以外、実施例１と同様にして各セメント組成物を得た。
製造例１で得られたか焼粉末（Ａ）の代わりに、製造例２で得られたか焼粉末（Ａ）を用いた以外、実施例１と同様にして各セメント組成物を得た。
［モルタルの製造及び評価］
得られた各セメント組成物を用い、「ＪＩＳ Ｒ ５２０１（セメントの物理試験方法）」に準拠して、モルタルを得た。ただし、混練時に高性能ＡＥ減水剤（ＰＣＥ）（ＳＰ８ＳＶ、ＢＡＳＦ社製）を表４に示す量で添加した。
次いで、得られたモルタルを用い、以下の方法にしたがって各測定を行った。
結果を表４に示す。
得られた各セメント組成物を用い、「ＪＩＳ Ｒ ５２０１（セメントの物理試験方法）」に準拠して、モルタルを得た。ただし、混練時に高性能ＡＥ減水剤（ＰＣＥ）（ＳＰ８ＳＶ、ＢＡＳＦ社製）を表４に示す量で添加した。
次いで、得られたモルタルを用い、以下の方法にしたがって各測定を行った。
結果を表４に示す。
《圧縮強さ及びフロー値の測定》
「ＪＩＳ Ｒ ５２０１（セメントの物理試験方法）」に準拠して、適宜材齢１日、３日、７日、２８日、及び９１日の圧縮強さ（ＭＰａ）及び１５打フロー値（ｍｍ）を測定した。
「ＪＩＳ Ｒ ５２０１（セメントの物理試験方法）」に準拠して、適宜材齢１日、３日、７日、２８日、及び９１日の圧縮強さ（ＭＰａ）及び１５打フロー値（ｍｍ）を測定した。
上記結果から明らかなように、か焼粉末（Ａ）を用いた本発明のセメント組成物であれば、カオリンのか焼粉末を用いた比較例２～５に比べ、良好な強度発現性を保持しつつ、高い流動性を示すことがわかる。また、一定の粘性を発現させるのに要する減水剤等の添加剤の量を低減することもできる。特に、比較例７のフライアッシュよりも強度発現性に優れることは、着目すべき点である。
さらに、実施例１２～１３が示すとおり、セメントクリンカ粉末（Ｃ）の含有量を低減しても、優れた流動性を発現することは無論、材齢２８日あたりまで特に優れた強度を発現することがわかる。
このように、本発明のセメント組成物は、か焼カオリン粘土の代替技術として優れている上、ＣＯ2排出量の削減に大いに貢献できる材料であることを示している。
さらに、実施例１２～１３が示すとおり、セメントクリンカ粉末（Ｃ）の含有量を低減しても、優れた流動性を発現することは無論、材齢２８日あたりまで特に優れた強度を発現することがわかる。
このように、本発明のセメント組成物は、か焼カオリン粘土の代替技術として優れている上、ＣＯ2排出量の削減に大いに貢献できる材料であることを示している。
Claims (6)
- モンモリロナイトの含有量が６０質量％以上である粘土（ａ）をか焼してなるか焼粉末（Ａ）、石灰石粉末（Ｂ）、セメントクリンカ粉末（Ｃ）、及び石こう粉末（Ｄ）を含むセメント組成物。
- 石灰石粉末（Ｂ）の含有量とか焼粉末（Ａ）の含有量との質量比（（Ｂ）／（Ａ））が、０．１～２．０である請求項１に記載のセメント組成物。
- セメントクリンカ粉末（Ｃ）の含有量と、か焼粉末（Ａ）及び石灰石粉末（Ｂ）の合計含有量との質量比（（Ｃ）／（（Ａ）＋（Ｂ）））が、０．３～２である請求項１又は２に記載のセメント組成物。
- か焼粉末（Ａ）の累積熱量（Ｒ3）が、１０Ｊ／ｇ以上である請求項１又は２に記載のセメント組成物。
- か焼粉末（Ａ）、石灰石粉末（Ｂ）、セメントクリンカ粉末（Ｃ）、及び石こう粉末（Ｄ）の合計量１００質量％中におけるか焼粉末（Ａ）の含有量が、５質量％～４５質量％である請求項１又は２に記載のセメント組成物。
- モンモリロナイトの含有量が６０質量％以上である粘土（ａ）をか焼してなるか焼粉末（Ａ）、石灰石粉末（Ｂ）、セメントクリンカ粉末（Ｃ）、及び石こう粉末（Ｄ）を含むセメント組成物の製造方法であって、
粘土（ａ）を７５０℃～１２００℃の温度にてか焼することにより、か焼粉末（Ａ）を得る工程を含む、セメント組成物の製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2022035091 | 2022-03-08 | ||
| JP2022035091 | 2022-03-08 |
Publications (1)
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|---|---|
| JP2023131119A true JP2023131119A (ja) | 2023-09-21 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2023024216A Pending JP2023131119A (ja) | 2022-03-08 | 2023-02-20 | セメント組成物 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2023131119A (ja) |
-
2023
- 2023-02-20 JP JP2023024216A patent/JP2023131119A/ja active Pending
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