JP2515133B2

JP2515133B2 - 含気泡水硬体およびその製造方法

Info

Publication number: JP2515133B2
Application number: JP63081932A
Authority: JP
Inventors: 和也佐野; 均水田; 繁朝枝; 浩史川合; 重親石原; 洋司野村; 莞爾宮下
Original assignee: Toyota Motor Corp; Aichi Steel Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aichi Steel Corp
Priority date: 1988-04-02
Filing date: 1988-04-02
Publication date: 1996-07-10
Anticipated expiration: 2011-07-10
Also published as: JPH01257174A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は気泡を含有する軽量の水硬体、およびその製
造方法に関する。本発明の水硬体は収縮性、強度および
耐火性に特に優れているため、住宅の内外装材、ビルの
間仕切り材、シールド工事の裏込材などに有用である。
また本発明に用いる基質粉末および石膏は、産業廃棄物
である製鋼還元期スラグや脱硫石膏を使用できるため含
気泡水硬体を安価に製造できる。

［従来の技術］従来、気泡を含有する水硬体としては、ALCなどのト
バモライト結晶を主成分とした気泡コンクリート、ある
いは石膏ボードのような石膏を主成分としたもの、およ
びこれらを適宜組合せたものが知られている。

また近年、電気炉還元期スラグと石膏との混合物はあ
る特定の条件下で水硬性を示すことが発見され、特公昭
62-50428号、特開昭57-191264号などの公報にはその反
応を利用したセメントおよび水硬体が開示されている。

さらに特開昭62-187184号公報には、塩基性高炉スラ
グと石膏とからなる水硬セメントより気泡を含有するス
ラリーを調製し、そのスラリーにさらにウレタンプレポ
リマーを添加して硬化させる水硬性発泡体の製造方法の
開示がある。

［発明が解決しようとする課題］トバモライト系のコンクリート材料においては硬化時
の収縮量が大きい。そのため気泡を含有させて軽量化し
ようとすると、収縮により内部応力が大きくなって割れ
る場合があった。オートクレーブ装置を利用すればこの
ような割れを防止することができるが、工数、エネルギ
ー面などに不具合があるとともに、作業現場における大
きな成形体への適用は困難であった。

また建築材料としては耐火性能が重要な性能である。
しかしトバモライト系軽量気泡コンクリートでは、トバ
モライト結晶中の水分量が少なく水和物の脱水温度も高
い。そのため建築基準法第107条にいう２時間耐火認定
を得るには、約100mmもの厚さが必要となる。

石膏系の材料であれば、60mmの厚さで２時間耐火認定
を得ることができる。しかしながら石膏系材料は耐火性
に乏しいため、外装材あるいは水回りの内装材としての
利用は不可能である。

また、特開昭62-187184号公報に開示された製造方法
によれば、オートクレーブ装置を用いずとも不燃性の含
気泡水硬体を得ることができるが、得られた水硬体中に
は有機物が含有されているため、２時間耐火認定を得ら
れるかどうかは疑問が残る。

さらに従来の含気泡水硬体の製造方法としては、セメ
ント系起泡剤の水溶液にセメントの一部を添加してエア
ーを吹込みながら激しく攪拌して泡立て、その後残りの
セメントを添加して気泡含有スラリーを形成し、このス
ラリーを硬化させる方法が知られている。しかしなが
ら、この製造方法では得られる成形体の密度は比較的大
きく、スラリー流し込み時などに沈降が生じたり、収縮
現象が生じて、均一性および寸法精度などに不具合が生
じる場合があった。また、電気炉還元期スラグと石膏と
の混合物の場合、軽量化の点で不十分であった。更に塩
基性高炉スラグと石膏からなる水硬性発泡体の場合に
は、硬化時間が長くなり、しかも強度、製造性（粉末
化）の点で不十分であった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、低密
度で軽量化でき、かつ収縮率が小さく硬化時に割れの発
生もなく、更に耐水性および強度に優れ、しかも約45mm
の厚さで２時間耐火認定が得られる安価な含気泡水硬
体、およびこの含気泡水硬体を容易にかつ確実に製造で
きる製造方法を提供することを技術的課題とするもので
ある。

［課題を解決するための手段］本発明者は特公昭62-50428号公報に開示されたセメン
トから形成される水硬体の軽量化を図るために、気泡を
含有させることを鋭意研究した。その結果、硬化時の収
縮が従来の含気泡水硬体に比べて著しく小さいことを発
見した。そして常温で硬化させた場合にも内部応力が極
めて小さく割れの発生が無いことを見出し、また得られ
る含気泡水硬体は極めて耐熱性に優れていることも発見
して本発明を完成したものである。

すなわち本発明の含気泡水硬体は、エトリンジャイト
固溶体の針状結晶を主成分とする母材と、母材中に分散
されたγ−2CaO・SiO₂粒子と、母材中に分散された気泡
と、よりなることを特徴とする。

本発明の含気泡水硬体は、換言すればエトリンジャイ
ト固溶体を主成分とする母材の針状結晶が絡み合う中
に、γ−2CaO・SiO₂粒子および気泡が島状に散在した構
成である。

ここで母材は、エトリンジャイト（3CaO・Al₂O₃・3Ca
SO₄・32H₂O）固溶体を主成分としている。このエトリジ
ャイト固溶体には、一般に鉄塩（Fe²⁺またはFe³⁺）、ケ
イ酸、炭酸などのイオンが含有されている。母材中には
他の成分として、γ−2CaO・SiO₂粒子、上記エトリジャ
イト固溶体の脱水物、6CaO・3SiO₂・H₂O、ゲーレナイト
固溶体、メーウィナイト固溶体、CaO・Al₂O₃・10H₂O、
遊離シリカゲル、炭酸カルシウム、若干のγ−2CaO・Si
O₂水和物、MgO、CaF₂などを、一種または複数種類含有
していてもよい。

気泡は径が3mm以下の大きさが望ましく、その形状は
特に制限されない。気泡の大きさが3mmより大きくなる
と、圧縮強度などの強度が低下するので好ましくない。
例えば直径3mm以上の気泡の数が全気泡の10％を越える
と、圧縮強度が20kg/cm²を下回り実用的な強度が得られ
ない。また本発明の含有気泡水硬体は、気乾密度が0.8g
/cm³以上であることが望ましい。密度がこれより小さく
なると、軽量になる反面、強度が低下する。

なお、母材中のγ−2CaO・SiO₂粒子の大きさは100μ
ｍ以下であることが望ましい。γ−2CaO・SiO₂粒子は骨
材として機能し、微細であればある程水硬体の強度が向
上するからである。

母材およびγ−2CaO・SiO₂粒子は、本発明者の先発明
である特公昭62-50428号公報に開示されたセメントが硬
化したものである。すなわち、γ−2CaO・SiO₂および3C
aO・2SiO₂・CaF₂の１種または２種と、12CaO・7Al₂O₃と
CaF₂の固溶体と、を含有する基質粉末と、石膏とが反応
硬化して形成される。

基質粉末の組成割合としては、γ−2CaO・SiO₂および
3CaO・2SiO₂・CaF₂の１種または２種20〜90重量部と、1
2CaO・7Al₂O₃とCaF₂の固溶体80〜10重量部とするのが望
ましい。

基質粉末と石膏の配合比率は、重量比で９対１〜６対
４の範囲が望ましい。この範囲をはずれると強度が低下
し、実用に供し得ない場合もある。

基質粉末としては、安価な製鋼還元期スラグである電
気炉還元期スラグや炉外精練スラグを用いるのが望まし
い。また石膏としては無水石膏、半水石膏、２水石膏の
いずれも用いられる。しかし無水石膏の場合には生成す
るエトリンジャイト固溶体の針状結晶の長さが５μｍ以
下となる場合があり、強度の向上にあまり貢献しない。
特には２水石膏である脱硫石膏を用いるのがコスト面か
らみて好ましい。

また基質粉末の大きさは、たとえ混合中に造粒作用が
生じても100μｍ以下であるのが望ましい。これは、基
質粉末が100μｍを越えると粒子間が点接触になり、強
度が低下してしまうからである。

本発明の含気泡水硬体を形成するのに最適な第２の発
明の製造方法は、起泡法を利用したものであり、水と石
膏と石膏用起泡剤との混合物を泡立てて気泡含有液を形
成する起泡工程と、上記基質粉末を気泡含有液に混合し
てスラリーを調製するスラリー化工程と、スラリーを硬
化させて所定形状の水硬体を形成する硬化工程と、より
なることを特徴とする。

本第２発明の最大の特徴は、起泡工程で石膏と石膏用
起泡剤を用いたところにある。従来このような方法は行
なわれておらず、また市販のセメントには既に石膏が混
合されているため、石膏のみで起泡工程を行なうことは
できなかった。本発明者は鋭意研究の結果、上記のよう
に起泡工程を行なうことにより、極めて微細な気泡が得
られることを見出したものである。ちなみに基質粉末と
石膏用起泡剤の組合せでは気泡が得られず、基質粉末と
セメント用起泡剤の組合せでは沈降が激しく寸法精度に
問題がある。また、基質粉末および石膏の混合粉末と石
膏用起泡剤を用いた場合には微細な気泡が得られない。

石膏用起泡剤としてはアニオン系界面活性剤「エマー
ルＤ−Ｓ−Ｄ」（花王（株）商品名）などが知られてい
る。なお、石膏用起泡剤と石膏との組合せで微細な気泡
が得られる理由はまだ解明されていないが、界面におけ
る電気的な現象によるものと推察される。

起泡工程は従来知られている各種手段を利用すること
ができる。なかでも攪拌効率などに優れたヘンシェルミ
キサ（三井三池化工機（株）製）を用いるのが好まし
い。なお、この起泡工程には、ケーキ状態で供給される
脱硫石膏を微細に粉砕する作用もある。これにより水硬
体に石膏の大きな粒が混入するような不具合が防止され
る。

スラリー化工程および硬化工程は、従来と同様に行な
うことができる。なお、起泡工程で形成された気泡は、
時間の経過とともに径が大きくなる傾向があるため、起
泡工程後は敏速に硬化させることが望ましい。また硬化
工程はオートクレーブ装置などを用いず、常温で硬化さ
せるのが経済的である。

［発明の作用および効果］本発明の含気泡水硬体では、エトリンジャイト固溶体
を主成分とする母材中にγ−2CaO・SiO₂粒子と気泡とが
分散している。γ−2CaO・SiO₂粒子は骨材として作用
し、この粒子は母材の針状の結晶の絡み合いにより支持
されて、気泡が存在していても充分な強度を有してい
る。またこの水硬体は、前記した基質粉末と石膏とが反
応して硬化したものであり、硬化時の収縮がほとんど無
い。これにより内部応力の発生が防止されており、割れ
などの不具合が無い。

また、エトリンジャイトはトバモライト結晶などに比
べて結晶水を多く含有しているため、加熱時に結晶水の
離脱による吸熱量が多く、さらに気泡による断熱効果も
作用するため、厚さが薄くとも２時間耐火認定を得るこ
とができる。

さらに水硬体中に未反応の石膏をほとんど無くするこ
とができる。従って耐水性にも優れている。

また、本発明の含気泡水硬体は、常温で成形できるた
め作業現場における大規模な成形体に応用することがで
きる。すなわち、オートクレーブなどの高価な装置を不
要とするため、工場生産および現場施工の両方におい
て、安価な含気泡水硬体が得られる。

従って本発明の含気泡水硬体によれば、２時間耐火認
定を得られる厚さを薄くすることができ、原料も安価な
ため、極めて安価で耐火性および耐水性を有する軽量の
建材を得ることができる。

また、本発明の製造方法によれば、均一で微細な気泡
を形成することができるため、上記高価をもつ含気泡水
硬体を容易に、かつ確実に製造することができる。また
オートクレーブ装置などは必要とされないので、作業現
場においてもこの製造方法を使用することができ、極め
て便利である。また、本発明に用いる基質粉末および石
膏としては、産業廃棄物である製鋼還元期スラグや脱硫
石膏を使用できるため、含気泡水硬体を安価に製造する
ことができる。

［実施例］以下、実施例により具体的に説明する。

（実施例１）（１）起泡工程起泡材（「エマール３−Ｄ−３」花王（株）製）が0.
5重量％と、減水材（「マイティ150」花王（株）製）が
1.0重量％とを溶解した水溶液1300重量部に脱硫石膏
（以下、石膏という）800重量部を添加して、攪拌機
（「ヘンシェルミキサ」三井三池化工機（株）製）で10
00rpmで攪拌して気泡含有液を形成した。

（２）スラリー化工程上記気泡含有液を1000rpmで攪拌しながら、下記の組
成の製鋼還元期スラグ粉末（平均粒径30μｍ、以下スラ
グ粉末という）3200重量部を投入して、気泡を含有する
スラリーを形成した。

スラグ粉末組成（重量％） CaO 52.7 CaF₂ 4.2 SiO₂ 27.3 Al₂O₃ 11.5 MgO 4.0 （３）硬化工程上記スラリーを、ただちに10×10×10cmの型枠に流し
込み、室温で16時間放置後脱型し、さらに10日間気乾養
生して試験片を作成した。

（実施例２〜４、比較例１〜２）スラグ粉末と石膏との配合比を第１表に示すように変
化させたこと以外は、実施例１と同一の原料を使用し、
同様にして実施例２〜４および比較例１〜２の試験片を
作成した。

（評価）上記により形成された６種類の試験片について、気乾
密度、気乾圧縮強度および含水圧縮強度を測定し、結果
を第１表に示す。なお、気乾密度は天秤で重量を測定す
る方法で、気乾圧縮強度は100ton圧縮試験機を用いて圧
縮破壊させる方法で測定した。また含水圧縮強度は、試
験片を水中に一週間浸漬した後の圧縮強度を気乾圧縮強
度と同様に測定した。

第１表より、スラグ粉末と石膏の比率が80対20近傍
で、気乾および含水とも圧縮強度が最大となることがわ
かる。スラグ粉末の比率が90を越えると気乾圧縮強度が
20kg/cm²以下となり、石膏の比率が50を越えると含水圧
縮強度が20kg/cm²以下となって、実用上使用できない。

なお、スラグ粉末と石膏の比率が80対20の、実施例２
の試験片の断面のSEM顕微鏡写真（倍率400倍）を第１図
に示す。第１図より気泡（丸く黒っぽい部分）の径は約
0.1mmであり、気泡とγ−2CaO・SiO₂粒子（丸く中間の
明るさの部分）との間に、針状のエトリンジャイト固溶
体の結晶（白く明るい部分）が約30μｍの長さに成長し
て絡み合っていることがわかる。

また、実施例２の試験片を水中に60日間浸漬し、引き
上げて乾燥させた後の、試験片内部の鉱物組成をＸ線回
折により同定して、結果を第２表に示す。なお表には、
上からＸ線最強ピークの強い順に並べてある。表より、
本実施例の含気泡水硬体はエトリンジャイトとγ−2CaO
・SiO₂が主成分であることがわかる。

（経時寸法変化率）実施例２の組成で、同様にして300×25×25mm、気乾
密度0.86g/cm³の試験片を作成し、脱型後の乾燥収縮
率、水中および空気中に交互に保持した時の寸法変化率
を測定した。結果を第２図に示す。図中、○は脱型後水
中に図に示した期間浸漬し、その後空気中に放置した時
の寸法変化率を示す。また●は脱型後空気中に30日間放
置した時の乾燥収縮率と、さらにその後水中に図に示し
た期間浸漬し、再度空気中で乾燥させた時の寸法変化率
を示す。なお比較として参考までに、三井金属パーライ
ト（株）のパーライトコンクリートMPC-103slの素材で
は90日乾燥収縮率は0.142％であった。第２図より、本
発明の含気泡水硬体は乾燥収縮率および寸法変化率とも
に最高でも４×10^-4（0.04％）以下であり、寸法安定性
に極めて優れている。従って内部応力の発生が防止さ
れ、割れなどの不具合が生じない。

（耐火性能）実施例２の組成で、同様にして気乾密度0.86g/cm³、1
400×1400×厚さ30〜60mmの試験片を作成し、建築基準
法第107条にいう２時間耐火構造の指定方法に準じて、
それぞれ耐火性能試験を行なった。結果を第３表に示
す。表より、実施例２の含気泡水硬体は、厚さが50mm近
傍以上あれば２時間耐火認定を受けることができる。す
なわち、従来に比べて薄くても耐火性能に優れており、
軽量で安価な建材を提供することができる。

（実施例５〜８、比較例３）実施例２の組成および工程において、スラリー化工程
からスラリー流し込みまでの時間を変化させることによ
り、気泡の大きさを変化させて実施例５〜８および比較
例３の試験片を作成した。それぞれの試験片の気泡の直
径の分布を顕微鏡観察により測定し、密度および気乾圧
縮強度の測定結果とともに第４表に示す。

第４表より、直径3mm以上の気泡が全気泡の10％を越
えると、圧縮強度が20kg/cm²より低くなって、実用的な
強度が得られないことがわかる。

（比較例４）実施例２の組成および工程での起泡工程において、石
膏のみを800重量部加えて攪拌する代りに、スラグ粉末3
200重量部と石膏800重量部の混合粉末を添加して気泡含
有液を調製した。そしてスラリー化工程で残りの原料を
加えて試験片を作成した。この試験片の気乾密度を測定
し、実施例２の試験片のデータとともに第５表に示す。

（比較例５）起泡工程で石膏用起泡剤の代りにセメント系起泡材
（「エアーセット」竹本油脂（株）製）を0.5重量部用
いたこと以外は実施例２と同様に試験片を作成し、その
気乾密度を第５表に示す。

（比較例６）起泡工程で石膏の代りにスラグ粉末を3200重量部用い
たこと以外は比較例６と同様に試験片を作成し、その気
乾密度を第５表に示す。

第５表より、本発明の製造方法によれば、気乾密度が
小さい含気泡水硬体が得られることが明らかである。他
の従来の方法では、両方の性能を満足するような水硬体
を得ることは困難である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の含気泡水硬体の結晶組織を
示す写真図、第２図は経時の寸法変化率を示すグラフで
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者朝枝繁愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者川合浩史愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者石原重親愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者野村洋司愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地愛知製鋼株式会社内 (72)発明者宮下莞爾愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地愛知製鋼株式会社内 (56)参考文献特開昭62−105980（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−153156（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】エトリンジャイト固溶体の針状結晶を主成
分とする母材と、前記母材中に分散されたγ−2CaO・SiO₂粒子と、前記母材中に分散された気泡と、よりなることを特徴と
する含気泡水硬体。
【請求項２】水と石膏と石膏用起泡剤との混合物を泡立
てて気泡含有液を形成する起泡工程と、 γ−2CaO・SiO₂および3CaO・2SiO₂・CaF₂の１種または
２種と、12CaO・7Al₂O₃とCaF₂の固溶体と、を含有する
基質粉末を前記気泡含有液に混合してスラリーを調製す
るスラリー化工程と、前記スラリーを硬化させて所定形状の水硬体を形成する
硬化工程と、よりなることを特徴とする含気泡水硬体の
製造方法。
【請求項３】基質粉末は、CaO、SiO₂、Al₂O₃およびCaF₂
を主要成分とする製鋼還元期スラグである特許請求の範
囲第２項記載の含気泡水体の製造方法。