JP3203390B2 - セメント組成物、耐熱部材および該耐熱部材の製造方法 - Google Patents

セメント組成物、耐熱部材および該耐熱部材の製造方法

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    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/02Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
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  • Organic Chemistry (AREA)
  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、優れた耐熱性を有する
セメント組成物、該組成物を用いた耐熱性部材および該
耐熱性部材の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来コンクリート成形体は200℃以上
の加熱により結晶水の放出が起り、また成形体中の水酸
化カルシウムが450℃で酸化カルシウムに分解〔Ca
(OH)2 →CaO+H2 O〕すること、および800
℃付近で炭酸カルシウムが脱炭酸して酸化カルシウムと
二酸化炭素に分解〔CaCO3 →CaO+CO2 〕する
ことにより収縮したり、更に、放冷したときに酸化カル
シウムが空気中の水分と反応して水酸化カルシウムを生
成するときに膨張するので、セメントの結合力が著しく
低下する。また、コンクリート成形体を構成する骨材が
熱により膨張して、成形体の強度が著しく低下するとい
う欠点を有している。
【0003】そこで上記のような問題点を解決するため
に、例えば次のような方法が提案されている:a)セメ
ントとしてアルミナセメントを使用し、骨材しとてシャ
モットなどの耐火レンガ粉末や火成岩などの耐火性材料
を使用する方法(特開昭50−50419:施紬建築用
資材成形体);b)活性超微粒シリカやリン酸アルミニ
ウムを使用して、セメント水和物中の水酸化カルシウム
を珪酸カルシウム化合物に変え、加熱の際の水酸化カル
シウムの化学変化による収縮および膨張を抑制する方法
(特開昭63−110341:施釉コンクリートパネ
ル):c)熱により強度の劣化したセメント成形体を水
中に浸漬してコンクリートの再水和をはかり、これによ
って強度を回復させる方法(特開昭56−50183:
ホウロウ引きセメント系板の製造方法);d)骨材中の
SiO2 と反応してガラス体を形成する釉薬をセメント
に添加し、このガラス体がバインダーとして機能し、成
形体の耐熱性と圧縮強さとを向上させる方法(特開平1
−188463:セメント成形体)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、a)の
方法では、アルミナセメントが高価で経済的でなく、ま
たアルミナセメント水和物が不安定であるため用途が特
殊なものに制限されること;b)の方法では、セメント
水和物中の水酸化カルシウムを完全に珪酸カルシウム化
合物の形態にすることができず、コンクリートの強度が
低下すること;c)の方法では、養生、乾燥、水中浸漬
等の各条件やこれらの工程の組合せの如何によって強度
回復の程度が異なり、強度のバラツキが生じ易く、ま
た、その製法工程は複雑となり、大型部材を作製するた
めにはその処理スペースが大規模となるので経済性に劣
ること;d)の方法では、骨材中のSiO2 と釉薬とが
反応してガラス質のバインダーを形成させるためには、
厳密な原料調整および焼成条件の管理を必要とし、ま
た、ガラス質のバインダーが形成されることは実証され
ておらず、得られる硬化体の強度も大でなく、更にその
収縮量が大きくなると考えられるので、建設用部材とし
て適用することは困難である;等の実用に際して解決し
なければならない問題点が残されている。
【0005】
【問題点を解決するための手段】本発明によれば、上記
の問題点は、ジェットセメントを除く水硬性セメント
5〜40 重量部、骨材30〜60重量部およびSi
2 、CaO、B 2 3 およびアルカリ成分 からなり7
00〜1300℃の範囲内で軟化する熔融性物質5〜3
0重量部よりなるセメ ント組成物、該組成物から製造
した耐熱部材、および該耐熱部材の製造方法によって解
決 される。
【0006】本発明による前記セメント組成物は更に、
耐熱性繊維0.5〜35重量部を添加することができ
る。このセメント組成物は適量の水を加えて常温硬化さ
せることができる。
【0007】本発明による前記耐熱部材は、前記セメン
ト組成物に水を添加して所定形状の部材に成形し、硬化
後700〜1300℃、好ましくは800〜900℃に
加熱することによって製造される。この加熱によって成
形部材中のセメント水和物が分解され、セメント水和物
中の水酸化カルシウムに由来するCaOと熔融物質等に
含まれるSiO2 およびCaOとの反応により、容易に
ウオラストナイトCaO・SiO2 が生成し〔CaO+
SiO2→CaO・SiO2 〕、このウオラストナイト
が成形部材中でバインダーとして作用し成形部材の耐熱
性を向上させるものである。この加熱前後の成形部材の
X線回折結果を示す図1から明らかなように、この加熱
によってウオラストナイトが生成していることがわか
る。生成するウオラストナイトの量は水硬性セメント重
量に対して少なくとも20重量%以上であることが必要
であり、この量以下ではウオラストナイトのバインダー
としての充分な効果が期待できない。熔融物質中に含有
されているB2 3 およびアルカリ成分は、ウオラスト
ナイト生成反応の反応温度を低下させるものであり、一
方、熔融性物質は前記加熱温度の範囲内で軟化するの
で、成形部材の剛性を低下させ、セメント相と骨材の熱
膨張量の差による応力を緩和し、ひび割れを防止する作
用をする。
【0008】本発明において使用される水硬性セメント
としては、一般に市販されているものが使用できて、ポ
ルトランドセメント、白色セメント、アルミナセメン
何れでも良く、その使用量は15重量部以下であると
脱型強度が得られず、40重量部以上であるとセメント
ペースト量が多くなり熱による劣化を受けクラックの発
生する危険性が高くなる。何れにしても熔融性物質との
反応によりウオラストナイトが前記の量で生成する必要
がある。
【0009】本発明において使用される骨材としては、
耐熱性を有する骨材であれば何れでも良く、抗火石、珪
砂、珪石、軽量骨材、シャモット、陶器破砕物、火山
灰、シェルベン、スラグ等が挙げられ、加熱後の強度を
考えるならば抗火石が最も適当である。骨材は蓄熱作用
を有しているため、その使用量が30重量部より少ない
と耐熱パネル成形体を加熱後冷却すると、急激に温度が
下がり、反りやクラックが生じる。また、60重量部以
上になると加熱前あるいは加熱後の強度が不足しクラッ
クが生じる。
【0010】本発明において使用される熔融性物質とし
ては、SiO2 、CaO、B2 3 およびアルカリ成分
(Na2 O、K2 Oなど)からなり、その他MgO、A
2 3 、PbO、ZnO、Fe2 3 、TiO2 また
は金属粉末等を含有していてもよい。その使用量は、5
重量部より少ないとウオラストナイトの生成量が充分で
なく、加熱後の強度が不足するためにクラックが生じ、
30重量部より多くなると加熱中の形状安定性が悪くな
り変形を生じ、また、熔融性物質を充分に練り混ぜるこ
とが困難になり、熔融物質粉末中の空気が成形体表面に
気泡となって現われ、成形体の品質が低下する。熔融物
質を構成する成分ならびにその融点を表−1に示す。こ
れらの各成分を例えば表−2に示したように組合せて所
望の融点を有する熔融性物質を得ることができる。
【0011】
【表1】
【0012】
【表2】
【0013】本発明において使用される耐熱性繊維とし
ては、耐熱性のウオラストナイト繊維が最も好ましく、
特に、アスペクト比が約10〜20のものが望ましい。
その他、セラミックス繊維、チタン酸ウィスカー等も使
用できる。本発明の耐熱部材の製造方法によれば、加熱
時に耐熱性繊維周辺の熔融性物質が融解して一様に分散
し、繊維同士が熔接され、この熔接作用によって耐熱部
材の寸法安定性および耐熱衝撃性が向上する。耐熱性繊
維の使用量が0.5重量部よりも少ないと、加熱後の冷
却時における熱衝撃を緩衝する作用が劣りクラックや反
りを生じ、35重量部よりも多いと、練り混ぜが非常に
困難となり、良好な形成体が得られない。
【0014】本発明によるセメント組成物には、市販の
セメント用減水剤等を添加して、成形体を製造する際の
水の量を減少させ、得られる耐熱部材を緻密化すること
ができるが、加熱前の乾燥が不充分であると、加熱中に
成形体が爆裂する恐れがあるので、充分な乾燥の後に加
熱することが必要である。乾燥温度および乾燥時間は製
造すべき成形体の密度によって異なるが、一般には、例
えば80〜200℃、好ましくは100〜150℃で数
時間〜数日間の乾燥が適当である。
【0015】成形体の加熱温度は、冷却時のひび割れ発
生を防止するために、セメント水和物が分解する温度
(700〜800℃)以上にする必要があり、また、C
aOと熔融性物質等に由来するSiO2 との反応による
ウオラストナイトの生成を可能ならしめるために、熔融
性物質の融点を加熱温度以下に調整する必要がある。す
なわち、加熱温度を700〜1300℃、好ましくは8
00〜900℃とすることにより、水硬性物質を分解
し、これに置換する形で熔融性物質が熔け、若しくは浸
み込むことによって新たなバインダーとしてのウオラス
トナイトを形成することができ、高強度の耐熱部材とす
ることが可能となる。加熱時間は成形体の寸法によって
異なるが、最低10分間以上、好ましくは30分間以上
加熱温度を維持しなければならない。また、降温速度を
調節することにより、耐熱部材の加熱後の曲げ強度を容
易に確保することができる。
【0016】また、成形体の成形方法としては、流し込
み法、押し出し法、加圧法、抄造法の何れを用いてもよ
い。
【0017】
【発明の効果】本発明によれば、熱による強度の劣化お
よび収縮が少なく、耐熱衝撃性が高く、例えば建設用部
材として有用な耐熱部材が経済的かつ容易に製造するこ
とができる。
【0018】以下の実施例によって、本発明を更に具体
的に説明する。 実施例1 水硬性セメントとして市販のポルトランドセメント20
部(重量部:以下同じ)、熔融性物質しとて表−2に示
したA〜Jのものそれぞれ20部、骨材として最大粒径
5mm以下の抗火石40部、耐熱性繊維としてウオラス
トナイト繊維20部を使用し、これらに水30部を加え
て混練し、型に入れて4cm×4cm×16cmの供試
体を成形した。この供試体を20℃湿空中で24時間後
脱型し、7日間水中養生後、110℃で24h乾燥した
後、900℃で30分間加熱した。加熱後に得た耐熱部
材の強度と収縮の関係を図2および図3に示す。これら
の図から、本発明による熔融性物質を添加して得た耐熱
部材が優れた圧縮強度および低収縮量を示すことがわか
る。
【0019】実施例2 熔融性物質として表−2のJを用い、実施例1と同様な
配合条件で供試体を成形後、加熱温度を種々変更して耐
熱部材を得た。加熱温度と強度および収縮との関係を図
4および図5に示す。これらの図から熔融性物質Jを用
いた場合、成形体の加熱温度は800〜900℃が好ま
しいことがわかる。
【0020】実施例3 水硬性セメントとして市販のポルトランドセメント、熔
融性物質として表−2に示したJのもの、骨材として最
大粒径5mm以下の抗火石、耐熱性繊維としてウオラス
トナイト繊維を使用し、表−3の配合割合(重量部)で
各種セメント組成物を調製し、900℃、1時間加熱し
成形体の加熱前後の強度、性状を試験した。その結果を
表−4に示す。
【0021】
【表3】
【0022】
【表4】
【0023】又、表−3に示すセメント組成物におい
て、耐熱性繊維(ウオラストナイト繊維)を添加したセ
メント組成物No.1(本発明例)およびNo.7(比
較例)と、耐熱性繊維を添加しないセメント組成物N
o.4(本発明例)から得た生成物の加熱時の熱膨張量
の相違を図6、図7、図8に、また、セメント組成物N
o.1およびNo.4における加熱前後の耐熱部材の圧
縮強度、収縮量の変化をそれぞれ図9および図10に示
す。これらの図から、熔融性物質を用い、更に耐熱性繊
維の添加により、冷却時の耐熱衝撃性が改良され、加熱
前後の収縮量を減少できることがわかる。
【0024】表−3のセメント組成物No.1のものか
ら製造した成形体を900℃に加熱した後、種々の降温
速度で冷却したときの降温速度と耐熱部材の曲げ強度と
の関係を調べた。図11に例示する降温速度パターンで
冷却したときのそれぞれの耐熱部材の曲げ強度を図12
に示す。図11において、は室温まで炉内に放置して
徐冷;は500℃まで炉内で徐冷した後、炉外で空
冷;は500℃の炉内で炉の扉を開いた状態で冷却
後、炉外で空冷;は700℃の炉内で炉の扉を開いた
状態で冷却後、炉外で空冷;は炉外で空冷したことを
示す。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による成形部材の加熱前後のX線回折結
果を示す図である。
【図2】実施例1で得た各耐熱部材の加熱後の強度を示
す図である。
【図3】実施例1で得た各耐熱部材の加熱後の収縮量を
示す図である。
【図4】実施例2で得た各耐熱部材の加熱温度と強度と
の関係を示す図である。
【図5】実施例2で得た各耐熱部材の加熱温度と収縮量
との関係を示す図である。
【図6】本発明によるセメント組成物(No.1)の加
熱時の熱膨張の変化を示す図である。
【図7】セメント組成物(No.7)の加熱時の熱膨張
の変化を示す図である。
【図8】本発明によるセメント組成物(No.4)の加
熱時の熱膨張の変化を示す図である。
【図9】本発明よる耐熱部材の加熱前後の圧縮強度の変
化を示す図である。
【図10】本発明による耐熱部材の加熱前後の収縮量の
変化を示す図である。
【図11】本発明による耐熱部材の降温パターンを示す
図である。
【図12】本発明による耐熱部材の図8による降温パタ
ーンに従った冷却後の曲げ強度を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 志翔 東京都江東区豊洲1丁目1番7号 小野 田セメント株式会社 セメント・コンク リート研究所内 (72)発明者 山本 英夫 東京都江東区豊洲1丁目1番7号 小野 田セメント株式会社 セメント・コンク リート研究所内 (72)発明者 安 伸二 神奈川県茅ヶ崎市茅ヶ崎511番地 茅ヶ 崎グリーンハイツ1−203 (72)発明者 杉本 賢司 神奈川県茅ヶ崎市高田3丁目3番10号 (72)発明者 ウィグナラージャ・シバクマラン 神奈川県横浜市旭区白根2丁目35番6号 (72)発明者 久保田 浩 神奈川県横浜市旭区白根2丁目35番6号 (56)参考文献 特開 平3−33041(JP,A) 特開 平3−33078(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 7/00 - 28/36 C04B 40/00 - 40/06

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ジェットセメントを除く水硬性セメント
    5〜40重量部、骨材30〜6 0重量部およびSi
    2 、CaO、B 2 3 およびアルカリ成分からなり70
    0〜13 00℃の範囲内で軟化する熔融性物質5〜3
    0重量部よりなるセメント組成物。
  2. 【請求項2】ジェットセメントを除く水硬性セメント
    5〜40重量部、骨材30〜6 0重量部SiO 2
    CaO、B 2 3 およびアルカリ成分からなり700〜1
    300℃ の範囲内で軟化する熔融性物質5〜30重量
    部および耐熱性繊維0.5〜35重量部より なるセメ
    ント組成物。
  3. 【請求項3】 請求項1または請求項2に記載のセメン
    ト組成物に水 を添加して所定の形状に成形し、硬化後
    700〜1300℃に加熱する ことを特徴とする耐熱
    部材の製造方法。
  4. 【請求項4】 請求項3の製造方法によって製造された
    耐熱部材。
  5. 【請求項5】 バインダーとしてウオラストナイト相を
    含有している 請求項4に記載の耐熱部材。
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