JP4166183B2

JP4166183B2 - コンクリート

Info

Publication number: JP4166183B2
Application number: JP2004088771A
Authority: JP
Inventors: 大介沢木; 幸輝一坪; 泰秀北條; 牧彦市川
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2024-03-25
Also published as: JP2005272223A

Description

本発明は、廃棄物を原料として製造した水硬性組成物を使用しても、流動性や強度発現性に優れるコンクリートに関するものである。なお、本発明では、モルタルを含めてコンクリートという。

わが国では、経済成長、人口の都市部への集中に伴い、産業廃棄物や一般廃棄物等が急増している。従来から、前記廃棄物の大半は、焼却によって十分の一程度に減容化し埋め立て処分されているが、最近では埋め立て処分場の残余容量が逼迫していることから、新しい廃棄物処理方法の確率が緊急課題になっている。この課題に対処するために、従来よりセメント産業では、産業廃棄物、一般廃棄物等をセメント原料として再資源化している（例えば、特許文献１）。

特開昭５６−１２０５５２号公報

しかしながら、廃棄物をセメント原料として大量に使用すると、セメント中の3CaO・Al₂O₃量が増加し、そのようなセメントを用いてコンクリートを製造する場合には、流動性が小さくなり、その経時変化も大きくなるという問題があった。

本発明は、上記従来技術の問題点、知見に鑑みなされたものであって、その目的は、廃棄物を原料として製造した水硬性組成物を使用しても、流動性や強度発現性に優れるコンクリートを提供することにある。

かかる実情において、本発明者らは、鋭意研究した結果、水硬性組成物を特定の水硬率、ケイ酸率および鉄率を有する焼成物の粉砕物と、特定の石膏とを組み合わせたものとすることにより、廃棄物を原料として製造した水硬性組成物を使用しても、流動性や強度発現性に優れるコンクリートとすることができることを見いだし、本発明を完成させたものである。

即ち、本発明は、水硬性組成物、骨材、減水剤および水を含むコンクリートであって、
該水硬性組成物が、産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる一種以上を原料として製造した水硬率（H.M.）が2.0〜2.2、ケイ酸率（S.M.）が1.3〜2.3、鉄率（I.M.）が1.3〜2.8である焼成物の粉砕物100質量部と、SO ₃ 換算で1〜5質量部の石膏とからなる水硬性組成物であり、前記焼成物が、1.0質量％以下のフッ素を含有し、
水硬性組成物中の全SO₃に対する２水石膏及び半水石膏中のSO₃の割合が50〜95質量％であり、かつ、２水石膏及び半水石膏の合量に対する半水石膏の割合がSO₃換算で50質量％以上であることを特徴とするコンクリートである（請求項１）。このような構成のコンクリートであれば、廃棄物を原料として製造した水硬性組成物を使用しても、流動性や強度発現性が良好なコンクリートとすることができる。また、焼成物がフッ素を含有するので、コンクリートの流動性の向上を図ることができる。
上記骨材としては、骨材の一部または全部に石灰石骨材を使用することが好ましい（請求項２）。骨材の一部または全部に石灰石骨材を使用することにより、コンクリートの強度発現性の向上を図ることができる。

本発明のコンクリートでは、廃棄物を原料として製造した水硬性組成物を使用した場合であっても、流動性や強度発現性が良好である。
また、本発明のコンクリートでは、産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる一種以上を原料とした水硬性組成物を使用するので、廃棄物の有効利用の促進にも貢献することができる。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明で使用する焼成物は、水硬率（H.M.）が2.0〜2.2、ケイ酸率（S.M.）が1.3〜2.3、鉄率（I.M.）が1.3〜2.8のものである。
焼成物の水硬率（H.M.）が小さくなると、該焼成物中の3CaO・Al₂O₃(以降、C₃Aと略す)と4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃(以降、C₄AFと略す)の含有量が多くなり、コンクリートの流動性が低下する傾向にある。また、焼成物の焼成も困難となる。一方、水硬率（H.M.）が大きくなると、コンクリートの初期強度は向上するが、長期強度の伸びが鈍くなる傾向にある。そのため、水硬率（H.M.）は1.8〜2.3が好ましく、より好ましくは2.0〜2.2である。
焼成物のケイ酸率（S.M.）が小さくなると、該焼成物中のC₃AとC₄AFの含有量が多くなり、コンクリートの流動性が低下する傾向にある。また、焼成物の焼成も困難となる。一方、ケイ酸率（S.M.）が大きくなると、コンクリートの流動性面では好ましいが、C₃AとC₄AFの含有量が少なくなり、焼成物の焼成が困難になる。そのため、ケイ酸率（S.M.）は1.3〜2.3が好ましい。
焼成物の鉄率（I.M.）が小さくなると、コンクリートの流動性面では好ましいが、焼成物の粉砕性が低下する。一方、鉄率（I.M.）が大きくなると、焼成物中のC₃Aの含有量が多くなり、コンクリートの流動性が低下する傾向にある。そのため、鉄率（I.M.）は1.3〜2.8が好ましい。

本発明においては、上記焼成物は1.0質量％以下のフッ素を含有することが好ましい。フッ素を1.0質量％以下含有することにより、コンクリートの流動性のさらなる向上を図ることができる。焼成物中のフッ素含有量が1.0質量％を越えると、コンクリートの凝結や硬化が遅延するので好ましくない。焼成物中のより好ましいフッ素含有量は、凝結時間等の観点から、0.5質量％以下であり、さらに好ましくは0.05〜0.45質量％であり、特に好ましくは0.1〜0.4質量％である。

焼成物の原料としては、一般のポルトランドセメントクリンカー原料、すなわち石灰石、生石灰、消石灰等のCaO原料、珪石、粘土等のSiO₂原料、粘土等のAl₂O₃原料、鉄滓、鉄ケーキ等のFe₂O₃原料を使用することができる。
なお、本発明においては、焼成物の原料として、前記原料に加えて、産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる一種以上を使用することができる。焼成物の原料として、産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる一種以上のものを使用することは、廃棄物の有効利用を促進させることができ好ましいことである。ここで、産業廃棄物としては、例えば、生コンスラッジ、各種汚泥（例えば、下水汚泥、浄水汚泥、建設汚泥、製鉄汚泥等）、建設廃材、コンクリート廃材、ボーリング廃土、各種焼却灰、鋳物砂、ロックウール、廃ガラス、高炉２次灰等が挙げられる。一般廃棄物としては、例えば、下水汚泥乾粉、都市ごみ焼却灰、貝殻等が挙げられる。建設発生土としては、建設現場や工事現場等から発生する土壌や残土、さらには廃土壌等が挙げられる。
また、フッ素原料としては、蛍石(CaF₂)の他、リン酸工業炉やリン酸肥料製造炉から製造される珪フッ化ソーダやその煤煙、半導体や電気電子機器工業で使用されたフッ素系洗浄剤を含む排水を処理した残渣等のフッ素含有廃棄物を使用することができる。

上記各原料を所定のH.M.、S.M.、I.M.となるように混合し、好ましくは1200〜1550℃で焼成することにより、焼成物が製造される。より好ましい焼成温度は1350〜1450℃である。
各原料を混合する方法は、特に限定するものではなく、慣用の装置等で行えばよい。
また、焼成に使用する装置も特に限定するものではなく、例えば、ロータリーキルン等を使用することができる。ロータリーキルンで焼成する際には、燃料代替廃棄物、例えば、廃油、廃タイヤ、廃プラスチック等を使用することができる。
なお、本発明で使用する焼成物においては、コンクリートの強度発現性、特に初期強度発現性を向上させる観点から、フリーライム量が0.5〜1.0質量％であることが好ましい。

本発明で使用する水硬性組成物は上記焼成物の粉砕物と、石膏とからなるものである。石膏としては、ニ水石膏、α型又はβ型半水石膏、無水石膏等を単独又は２種以上組み合わせてを使用することができる。
本発明においては、水硬性組成物中の全SO₃にに対する２水石膏及び半水石膏中のSO₃の割合は40質量％以上である。水硬性組成物中のSO₃に対する２水石膏及び半水石膏中のSO₃の割合が40質量％未満では、コンクリートの流動性が低下するので好ましくない。水硬性組成物中の全SO₃に対する２水石膏及び半水石膏中のSO₃の割合は、コンクリートの流動性向上の観点や減水剤との相性等から、50〜95質量％が好ましく、60〜90質量％がより好ましい。

また、本発明においては、水硬性組成物中の２水石膏及び半水石膏の合量に対する半水石膏の割合はSO₃換算で30質量％以上である。２水石膏及び半水石膏の合量に対する半水石膏の割合がSO₃換算で30質量％未満では、水硬性組成物の水和熱が大きくなり、またコンクリートの凝結時間が極端に短くなる、流動性が低下する、硬化後の寸法安定性が低下する等の理由から好ましくない。２水石膏及び半水石膏の合量に対する半水石膏の割合は、水和熱低減や流動性向上の観点から、50質量％以上が好ましく、60質量％以上がより好ましく、70質量％以上が特に好ましい。
なお、２水石膏・半水石膏の定量は、特開平6-242035号公報に記載される試料容器を使用した熱分析（熱重量測定等）により行うことができる。また、水硬性組成物中の全SO₃の定量は、化学分析により行うことができる。

水硬性組成物中の石膏量は、コンクリートの流動性や強度発現性等から、焼成物の粉砕物100質量部に対して、SO₃換算で1〜5質量部であることが好ましく、2〜3.5質量部であることがより好ましい。

水硬性組成物の製造方法について説明する。
水硬性組成物の製造方法としては、例えば、
1)焼成物と石膏を同時に粉砕する方法、
2)焼成物を粉砕し、該粉砕物に、石膏を混合する方法、
等が挙げられる。
上記1)の場合は、焼成物と石膏はブレーン比表面積2500〜4500cm²/gに粉砕することが好ましく、3000〜4500cm²/gに粉砕することがより好ましい。
上記2)の場合は、焼成物はブレーン比表面積2500〜4500cm²/gに粉砕することが好ましく、3000〜4500cm²/gに粉砕することがより好ましい。また、石膏としてはブレーン比表面積2500〜5000cm²/gのものを使用するのが好ましく、3000〜4500cm²/gのものを使用するのがより好ましい。
なお、本発明において、水硬性組成物のブレーン比表面積は、コンクリートの流動性や強度発現性等から、2500〜4500cm²/gであることが好ましく、3000〜4500cm²/gであることがより好ましい。

水硬性組成物以外の材料について説明する。
減水剤としては、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、メラミン系、ポリカルボン酸系の減水剤（ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤も含む）が使用できる。
骨材としては、川砂、砕砂等の細骨材や、砂利、砕石等の粗骨材が使用できる。本発明においては、骨材の一部または全部に石灰石骨材を使用することが好ましい。骨材の一部または全部に石灰石骨材を使用することにより、コンクリートの強度発現性の向上を図ることができる。本発明においては、コンクリートの強度発現性等から、全骨材中の30質量％以上が石灰石骨材であることが好ましく、50質量％以上が石灰石骨材であることがより好ましく、100質量％(全部)が石灰石骨材であることが特に好ましい。
水としては、水道水やコンクリートスラッジからの回収水等を使用することができる。
なお、必要に応じて、支障のない範囲内で、空気連行剤、消泡剤等の混和剤を使用することは差し支えない。

コンクリートの混練方法は、特に限定するものではなく、例えば、1)各材料を一括してミキサに投入して１分以上混練する方法、2)水以外の材料をミキサに投入して空練りした後に、水を投入して１分以上混練する方法等で行うことができる。混練に用いるミキサは、特に限定するものではなく、ホバートミキサ、パンタイプミキサ、二軸ミキサ等の慣用のミキサで混練すれば良い。
コンクリートの成形方法は、特に限定するものではなく、例えば、振動成形等を行えば良い。
また、養生条件も、特に限定するものではなく、例えば、気中養生、蒸気養生等を行えば良い。

以下、実施例により本発明を説明する。
１．焼成物の製造
原料として、下水汚泥、建設発生土、蛍石、石灰石等の一般のポルトランドセメントクリンカー原料を使用して、表１に示す水硬率（H.M.）、ケイ酸率（S.M.）および鉄率（I.M.）となるように原料を調合した。調合原料を小型ロータリーキルンで1400〜1450℃で焼成して、焼成物を製造した。この際、燃料として一般的な重油のほかに、廃油や廃プラスチックを使用した。使用した下水汚泥、建設発生土の化学組成（質量％）は、表２に示すとおりである。
なお、各焼成物中のフリーライム量は0.6〜1.0質量％であった。

２．水硬性組成物の調製
表１の各焼成物100質量部に対して、排脱ニ水石膏（住友金属社製）及び前記排脱ニ水石膏を140℃で加熱して得た半水石膏を表３に示す量添加し、バッチ式ボールミルでブレーン比表面積が3250±50cm²/gとなるように同時粉砕して、水硬性組成物を調製した。

３．モルタル用材料
上記水硬性組成物以外の材料を以下に示す。
1)フロー値測定用
細骨材；「JIS R 5201(セメントの物理試験方法)」に定める標準砂
水；水道水
減水剤；ポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤(エヌエムビー社製「レオビルドSP8N」)
2)圧縮強度測定用
細骨材；Ａ石灰石砕砂（F.M.2.89）
Ｂ玄武岩砕砂（F.M.2.96）
水；水道水
減水剤；リグニンスルホン酸系減水剤(エヌエムビー社製「ポゾリスNo.70」)

４．モルタルの製造および評価
上記水硬性組成物と、上記の細骨材、水および減水剤を使用して、モルタルを調製し、以下の測定を行った。
1)フロー値
混練直後のモルタルをフローコーン（上面直径5cm、下面直径10cm、高さ15cm）に投入し、フローコーンを上方へ取り去った際のモルタルの広がりを測定し、フロー値を求めた。なお、モルタルの配合は、水／水硬性組成物(質量)比＝0.35、細骨材／水硬性組成物(質量)比＝2.0、減水剤／水硬性組成物(質量)比＝0.0065とした。
その結果を表４に示す。

2)圧縮強度
モルタルをφ５cm×10cmの円筒形型枠に詰め、20℃の水中で所定の材齢（３日、７日および28日）まで養生した後、表面を研磨し、圧縮強度を測定した。なお、モルタルの配合は、水／水硬性組成物(質量)比＝0.5、細骨材／水硬性組成物(質量)比＝3.125、減水剤／水硬性組成物(質量)比＝0.0025とした。
その結果を表５に示す。

表４より、本発明のモルタル（実施例１〜６）では、廃棄物を原料として製造した水硬性組成物を使用した場合であっても、普通ポルトランドセメントを使用したモルタルと同等若しくはそれ以上の流動性を有していることが分かる。
また、表５より、本発明のモルタル（実施例７〜10）では、廃棄物を原料として製造した水硬性組成物を使用した場合であっても、強度発現性が良好であることが分かる。特に、骨材として石灰石砕砂を使用したモルタルでは、強度発現性に優れることが分かる。

Claims

水硬性組成物、骨材、減水剤および水を含むコンクリートであって、
該水硬性組成物が、産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる一種以上を原料として製造した水硬率（H.M.）が2.0〜2.2、ケイ酸率（S.M.）が1.3〜2.3、鉄率（I.M.）が1.3〜2.8である焼成物の粉砕物100質量部と、SO ₃ 換算で1〜5質量部の石膏とからなる水硬性組成物であり、
前記焼成物が、1.0質量％以下のフッ素を含有し、
水硬性組成物中の全SO₃に対する２水石膏及び半水石膏中のSO₃の割合が50〜95質量％であり、かつ、２水石膏及び半水石膏の合量に対する半水石膏の割合がSO₃換算で50質量％以上であることを特徴とするコンクリート。
骨材の一部または全部に石灰石骨材を使用する請求項１記載のコンクリート。