JP3370192B2 - セメント急結材及びセメント組成物 - Google Patents

セメント急結材及びセメント組成物

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寺島  勲
孝一 石橋
直孝 近藤
博文 田中
一裕 相沢
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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
    • C04B7/00Hydraulic cements
    • C04B7/32Aluminous cements
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C04B2103/00Function or property of ingredients for mortars, concrete or artificial stone
    • C04B2103/10Accelerators; Activators
    • C04B2103/12Set accelerators

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、主に、土木・建築分野
において使用されるセメント急結材、特に、トンネルの
吹付や湧水の止水用に使用されるセメント急結材に関す
る。
【0002】
【従来の技術とその課題】従来、カルシウムアルミネー
トを使用したコンクリート急結剤として、CaO−Na2O−A
l2O3系焼成物又は溶融物、硫酸カルシウム、及びアルカ
リ金属塩を使用したものが提案されている(特開平 4−5
5351号公報)。しかしながら、このカルシウムアルミネ
ートはNa2O量が比較的多く、このナトリウムが可溶性で
あり、アルカリ骨材反応を生じるなどの課題があった。
【0003】吹き付けコンクリートがアルカリ骨材反応
を起こした場合、コンクリート構造物としての耐久性が
低下するばかりでなく、アルカリ骨材反応により生じた
クラックから湧水が発生するなどの課題があった。
【0004】また、従来のセメント急結材は、例えば、
トンネルの吹付材としては、凝結に数分かかり、十分に
地山との付着強度がとれずに跳ね返り現象を起こし、リ
バウンド量が大きく、かならずしも経済的ではないとい
う課題があった。
【0005】さらに、湧水のあるトンネルには適さない
とか、寒冷地においては急結性状や強度発現性が低下し
てしまうなどの課題があった。
【0006】本発明者は、前記課題を解決すべく、種々
努力を重ねた結果、特定のセメント急結材を使用するこ
とにより、前記課題が解決されるとの知見を得て本発明
を完成するに至った。
【0007】
【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、CaO原
料、AlO原料、及びRO原料を熱処理してなるCaO−
AlO−RO系カルシウムアルミネートであり、該カ
ルシウムアルミネート中のナトリウム及びカリウムを
重量%以上含有するカルシウムアルミネートと、無機塩
類とを含有してなるセメント急結材であり、セメントと
該セメント急結材とを含有してなるセメント組成物であ
る。
【0008】以下、本発明をさらに詳しく説明する。
【0009】本発明のカルシウムアルミネートは、CaO
原料、AlO原料、及びRO原料を熱処理してなるCaO
−AlO−RO系カルシウムアルミネートであり、該
カルシウムアルミネート中のナトリウム及びカリウム
1重量%以上含有するカルシウムアルミネートである。
【0010】本発明のカルシウムアルミネート(以下C
Aという)の原料は、CaO原料、Al2O3原料、及びR2O原料
であるアルカリ原料からなり、特に限定されるものでは
なく、例えば、CaO原料としては消石灰や石灰石粉末な
どが、Al2O3原料としてはボーキサイトやアルミ残灰な
どが、R2O原料としてはアルカリ金属炭酸塩や長石類な
どがそれぞれ挙げられる。
【0011】CAの熱処理方法としては、特に限定され
るものではなく、例えば、キルンや電気炉などを使用し
て焼成及び/又は溶融する方法が挙げられ、そのうち、
少なくとも溶融することが好ましい。焼成及び/又は溶
融の時間も特に限定されるものではない。焼成物や溶融
物の冷却方法についても特に限定されるものではなく、
例えば、水や高圧空気などによる急冷法や自然放冷によ
る徐冷法などいずれの方法を用いることも可能である。
【0012】また、他の成分あるいは不純物として、工
業原料から、例えば、SiO2、P2O5、B2O3、TiO2、MgO、F
e2O3、F2、及びSO3等の混入が予想される。これらの不
純物等の存在は、少ない方が好ましいが、クリンカー製
造時の融点を下げる効果があること、クリンカーの活性
を高めることができることなどの好ましい面もあり、本
発明の目的を実質的に阻害しない範囲、例えば、これら
不純物等の総量が10重量%程度未満では問題にならな
い。
【0013】熱処理生成物中の二種以上のアルカリ金属
酸化物の量は、アルカリ金属酸化物として1重量%以上
であり、2〜15重量%が好ましく、5〜12重量%がより
好ましい。1重量部未満では急結性状が十分でなく、15
重量%を超えて使用しても急結性状の増進が期待できな
い。
【0014】本発明において、RO原料のアルカリ金属
としては、ナトリウム、カリウム、及びリチウムがある
が、本発明の効果が顕著であることから、また、経済性
の面からナトリウムとカリウムの二種の酸化物の使用
る。ナトリウムの酸化物を単独で使用した場合は、アル
カリ骨材反応を引き起こしやすく、急結性状も十分では
ない。また、カリウムの酸化物を単独で使用した場合
は、急結性状は良好であるが、多量の使用しなければな
らず、経済性の面で課題がある。本発明のナトリウム及
びカリウムの割合は、特に限定されるものではないが、
例えば、ナトリウムとカリウムの酸化物の場合は、酸化
物の重量比で1:1が急結性状と経済性から最も好まし
い。
【0015】本発明のCAは、結晶質、非晶質いずれの
使用も可能であるが、良好な急結性状を発揮させるため
には、非晶質のCAの使用が好ましい。
【0016】ここで、非晶質とは、すべてが非晶質であ
る必要はなく、例えば、ガラス化率が50%以上のものを
いい、70%以上のものがより好ましい。ガラス化率が50
%未満では、反応性が低下し、急結性状が不十分になる
傾向がある。
【0017】ガラス化率(X)とは、CAを1,000℃で3
時間加熱し、その後、5℃/分の冷却速度で徐冷し、粉
末X線回折法により求めた結晶鉱物のメインピークの面
積S0とCA中の結晶のメインピークの面積Sから、X
(%)=(1−S/S0)×100の式にしたがって算出した。
【0018】本発明のCA中のCaO/Al2O3のモル比は1
〜3が好ましく、1.5〜2がより好ましい。1未満では
急結性状が十分でなく、3を超えると耐久性が悪くなる
場合がある。
【0019】本発明のCAの粒度は、特に限定されるも
のではないが、ブレーン値で3,000〜9,000cm2/g程度の
範囲のものが好ましい。3,000cm2/g未満では十分な急結
性が得られない場合があり、9,000cm2/gを超えても急結
性や強度発現性のさらなる効果が期待できない。
【0020】本発明の無機塩類としては、例えば、アル
ミン酸ナトリウムやアルミン酸カリウムなどのアルカリ
金属アルミン酸塩、炭酸ナトリウムや炭酸カリウムなど
のアルカリ金属炭酸塩、硝酸ナトリウム、硝酸カリウ
ム、亜硝酸ナトリウム、及び亜硝酸カリウム等のアルカ
リ金属硝酸塩類、硫酸ナトリウム、硫酸アルミニウム、
及び焼成ミョウバン石等の無機硫酸塩、無水セッコウ、
半水セッコウ、及び二水セッコウのセッコウ類、並び
に、水酸化カルシウム、水酸化ナトリウム、及び水酸化
カリウム等の水酸化物等が挙げられる。
【0021】本発明では、使用する目的に応じてこれら
無機塩類のうちの一種又は二種以上を併用することが可
能である。例えば、本発明のCAとアルカリ金属アルミ
ン酸塩やアルカリ金属炭酸塩とを併用すると、急結性が
良好なトンネル吹付材とすることが可能であり、本発明
のCAとアルカリ金属アルミン酸塩と硝酸塩類とを併用
すると、寒冷地での急結性状が良好なトンネル吹付材と
することが可能である。また、本発明のCAと焼成ミョ
ウバン石を併用すると、アルカリ性の低い安全性の高い
トンネル吹付材が得られる。さらに、前記無機塩類とセ
ッコウ類とを併用することは、強度発現性が良好な面か
ら、特に、トンネル吹付材などの分野で好ましい。
【0022】無機塩類の使用量は、CAと無機塩類から
なるセメント急結材の合計100重量部中、10〜60重量部
が好ましく、20〜40重量部がより好ましい。無機塩類の
使用量がこの範囲外では急結性状や強度発現性が悪くな
る場合がある。
【0023】本発明のセメント急結材は、CaO原料、Al2
O3原料、及びR2O原料を熱処理してなるCaO−Al2O3−R2O
系のCAと無機塩類とを主成分とするものであり、該C
A中に二種以上のアルカリ金属酸化物を1重量%以上含
有するものである。セメント急結材の粒度は、使用する
目的・用途に依存するため、特に限定されるものではな
いが、通常、ブレーン値で3,000〜9,000cm2/gが好まし
い。3,000cm 2/g未満では急結性が悪くなる場合があり、
9,000cm2/gを超えて使用してもさらなる効果が期待でき
ない。セメント急結材の使用量は、セメントとセメント
急結材の合計100重量部中、3〜15量部が好ましく、5
〜10重量部がより好ましい。3重量部未満では急結性が
十分ではなく、15重量部を越えると耐久性が悪くなる場
合がある。
【0024】本発明で使用するセメントとしては、普
通、早強、超早強、及び中庸熱等の各種ポルトランドセ
メント、これらポルトランドセメントにポゾラン物質を
混合した各種混合セメント等が挙げられる。
【0025】本発明のセメント急結材の製造に使用され
る混合装置としては、既存のいかなる撹拌装置も使用可
能であり、例えば、傾胴ミキサー、オムニミキサー、V
型ミキサー、ヘンシェルミキサー、及びナウターミキサ
ー等が使用可能である。混合は、それぞれの材料を施工
時に混合してもよいし、あらかじめ一部を、あるいは全
部を混合しておいても差し支えない。
【0026】本発明では、セメントやセメント急結材の
他に、凝結調整剤、減水剤、高性能減水剤、AE剤、A
E減水剤、高性能AE減水剤、増粘剤、砂や砂利などの
骨材、セメント膨張材、防錆剤、防凍剤、高分子エマル
ジョン、ベントナイトやモンモリロナイトなどの粘土鉱
物、ゼオライト、ハイドロタルサイト、及びハイドロカ
ルマイト等のイオン交換体、無機リン酸塩、並びに、ホ
ウ酸等のうちの一種又は二種以上を本発明の目的を実質
的に阻害しない範囲で併用できる。
【0027】
【実施例】以下、実施例により本発明を詳細に説明す
る。
【0028】実施例1 CaO原料、Al2O3原料、及びR2O原料を混合し、電気炉を
用い、1,600℃で溶融した溶融物を高圧空気法で急冷し
て得たクリンカーを粉砕し、ブレーン値で5,000±200cm
2/gに調整して表1に示すような各種CAを得た。CA
の組成比は化学分析により求めた値から算出した。CA
70重量部と、無機塩類a30重量部とを配合してセメント
急結材とした。室温20℃で、セメントとセメント急結材
からなる結合材100重量部中、セメント急結材を7重量
部配合して、結合材/砂比=1/2、水/結合材比=50
%でモルタルを調製し、このモルタルの凝結時間をプロ
クター貫入抵抗により測定した。結果を表1に併記す
る。なお、モルタルは10秒間空練りした後水を加え、す
ばやく10秒間混練した。
【0029】<使用材料> CaO原料 :和光純薬工業社製試薬1級、CaO Al2O3原料 :和光純薬工業社製試薬1級、Al2O3 R2O原料 :和光純薬工業社製試薬1級、Na2CO3 R2O原料 :和光純薬工業社製試薬1級、K2CO3 無機塩類a:試薬1級のアルミン酸ナトリウム20重量部
と試薬1級の炭酸カリウム80重量部との混合品 セメント :電気化学工業社製普通ポルトランドセメン
ト 砂 :新潟県姫川産川砂、FM 2.8 水 :水道水
【0030】<測定方法> 凝結時間:ASTM C 403-65 T のプロクター貫入抵抗法に
準じて測定。 ガラス化率(X):CAを1,000℃で3時間加熱し、その
後、5℃/分の冷却速度で徐冷し、粉末X線回折法によ
り求めた結晶鉱物のメインピークの面積S0とCA中の結
晶のメインピークの面積Sから、X(%)=(1−S/S0)
×100の式にしたがって算出
【0031】
【表1】
【0032】実施例2 CaO/Al2O3のモル比が1.7で、Na2O量とK2O量が各5重量
%のCAを使用し、CAと無機塩類aの使用量を表2に
示すように変化したこと以外は実施例1と同様に行っ
た。結果を表2に併記する。
【0033】
【表2】
【0034】実施例3 CaO/Al2O3のモル比が1.7で、Na2O量とK2O量が各5重量
%のCAを使用し、セメント急結材の使用量を表3に示
すように変化したこと以外は実施例1と同様に行った。
結果を表3に併記する。
【0035】
【表3】
【0036】実施例4 工業用のCaO原料、Al2O3原料、及びR2O原料を用い、実
施例1と同様にCaO/Al 2O3モル比が1.7で、Na2O量とK2O
量が各5重量%のCAを得た。工業用の原料を用いて得
たCAは、少量のTiO2、B2O3、Fe2O3、P2O5、及びNa2O
等を含有する。ただし、Na2Oは1重量%未満であった。
室温20℃で、このCA70重量部と、表4に示す各種無機
塩類30重量部を配合して得たセメント急結材のプロクタ
ー貫入抵抗値を実施例1と同様に測定し、同時にpHを
測定した。得られたセメント急結材を、セメントとセメ
ント急結材からなる結合材100重量部中、7重量部配合
し、各材料の単位量が、結合材360kg/m3、粗骨材756kg/
m3、細骨材1,130kg/m3、及び水162kg/m3の配合で、コン
クリートを調製した。このコンクリートを吹付け、落下
したコンクリート量をリバウンド率(%)として測定し
た。比較のために市販の急結材を用いて同様に行った。
結果を表4に併記する。
【0037】<使用材料> CaO原料 :電気化学工業社青海鉱山産石灰石 Al2O3原料 :市販ボーキサイト R2O原料 :市販ソーダ灰 R2O原料 :市販炭酸カリウム 無機塩類b:試薬1級のアルミン酸カリウム85重量部
と、試薬1級の硝酸ナトリウム15重量部の混合品 無機塩類c:試薬1級のカリウムミョウバンを600℃で
1時間熱処理した焼成ミョウバン 無機塩類d:試薬1級のアルミン酸ナトリウム30重量
部、試薬1級の炭酸カリウム60重量部、及び天然無水セ
ッコウ10重量部の混合品 無機塩類e:試薬1級の炭酸カリウム 市販急結材:小野田セメント社製商品名「小野田T-Roc
k」、主成分カルシウムアルミネート セメント :電気化学工業社製普通ポルトランドセメン
ト 粗骨材 :新潟県姫川産川砂利、Gmax=10mm 細骨材 :新潟県姫川産川砂、FM 2.8 水 :水道水
【0038】<測定方法> pH :純水500ccにセメント急結材0.5gを加え、
1分間撹拌して溶解させた後測定
【0039】
【表4】
【0040】実施例5 無機塩類bを使用し、室温を5℃としたこと以外は実施
例4と同様に行った。結果を表5に示す。
【0041】
【表5】
【0042】
【発明の効果】本発明のセメント急結材を使用すること
により、急結性が良好である、湧水に強い、経済的であ
る、及び低温での急結性が良好である等の効果を奏す
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 直孝 新潟県西頸城郡青海町大字青海2209番地 電気化学工業株式会社 青海工場内 (72)発明者 田中 博文 新潟県西頸城郡青海町大字青海2209番地 電気化学工業株式会社 青海工場内 (72)発明者 相沢 一裕 新潟県西頸城郡青海町大字青海2209番地 電気化学工業株式会社 青海工場内 (56)参考文献 特開 平8−26797(JP,A) 特開 平5−24893(JP,A) 特開 平2−258659(JP,A) 特開 平4−26536(JP,A) 特開 平4−55351(JP,A) 特開 平4−55353(JP,A) 特開 平6−293541(JP,A) 特開 平7−26797(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 22/08

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 CaO原料、AlO原料、及びRO原料を
    熱処理してなるCaO−AlO−RO系カルシウムアルミ
    ネートであり、該カルシウムアルミネート中のナトリウ
    ム及びカリウムを1重量%以上含有するカルシウムアル
    ミネートと、無機塩類とを含有してなるセメント急結
    材。
  2. 【請求項2】 セメントと、請求項1記載のセメント急
    結材とを含有してなるセメント組成物。
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