JP4176660B2 - 水硬性組成物 - Google Patents

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Description

本発明は、流動性や強度発現性に優れるモルタルやコンクリートを製造することができる水硬性組成物に関するものである。
高炉スラグ粉末をポルトランドセメントクリンカーおよび石膏と配合して得られる高炉セメントを使用したモルタルやコンクリートは、普通ポルトランドセメントを使用したモルタルやコンクリートと比べてアルカリ骨材反応の抑制効果や耐硫酸塩性が優れているとともに長期強度が高いという利点がある。しかし、高炉セメントを使用したモルタルやコンクリートでは、初期強度が普通ポルトランドセメントを使用したモルタルやコンクリートと比べて劣るという欠点があった。そこで、ブレーン比表面積が6000cm2/g以上、特に8000cm2/g以上の粉末度の大きい高炉スラグ粉末を使用することにより、モルタルやコンクリートの初期強度を改善することが試みられている(例えば、特許文献1)。
特開昭61−242942号公報
しかしながら、上記特許文献1では、高炉スラグをブレーン比表面積が6000cm2/g以上に粉砕する必要があり、その粉砕に手間がかかるという問題がある。
また、粉末度の大きい高炉スラグ粉末を使用することにより、モルタルやコンクリートの初期強度は改善されるが、その後の強度が増進せず、十分な長期強度が得られない場合があるという問題もある。
さらに、粉末度の大きい高炉スラグ粉末を使用するので、モルタルやコンクリートの流動性が低下するという問題もある。
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、ブレーン比表面積が小さい(5000cm2/g以下)高炉スラグ粉末等の無機粉末を含む水硬性組成物であっても、流動性や強度発現性の良好なモルタルやコンクリートを製造することができる水硬性組成物を提供することにある。
本発明者らは、ブレーン比表面積が小さい(5000cm2/g以下)高炉スラグ粉末等の無機粉末を含む水硬性組成物であっても、流動性や強度発現性の良好なモルタルやコンクリートを製造することができる水硬性組成物について鋭意研究した結果、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石膏と高炉スラグ粉末等の混和材を組み合わせることにより、上記課題を解決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、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、高炉スラグ粉末10〜150質量部、フライアッシュ10〜100質量部、石灰石粉末10〜100質量部、珪石粉末10〜100質量部から選ばれる1種以上の無機粉末を含むことを特徴とする水硬性組成物である(請求項1)。このような構成の水硬性組成物であれば、ブレーン比表面積が小さい(5000cm2/g以下)高炉スラグ粉末等の無機粉末を使用しながらも、流動性や強度発現性が良好なモルタルやコンクリートを製造することができる。また、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により、廃棄物の有効利用を促進させることができる。
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%以上であることが好ましい(請求項2)。半水石膏の割合を高めることによって、さらなる流動性の向上を図ることができるとともに、水硬性組成物の水和熱を低減することもできる。
また、本発明においては、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、40質量%以上であることが好ましい(請求項3)。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の割合を高めることによって、さらなる流動性の向上を図ることができるとともに、水硬性組成物の水和熱を低減することもできる。
本発明の水硬性組成物では、ブレーン比表面積が小さい(5000cm2/g以下)高炉スラグ粉末等の無機粉末を使用しながらも、流動性や強度発現性が良好なモルタルやコンクリートを製造することができる。
また、本発明の水硬性組成物では、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て使用することができるので、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、モルタルや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、モルタルや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、モルタルや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、モルタルや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、モルタルや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、モルタルや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。
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。
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、モルタルや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。
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使用することができる。
なお、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%以上であることが好ましい。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をSO3換算で30質量%以上にすることにより、モルタルやコンクリートの流動性のさらなる向上や、水硬性組成物の水和熱の低減等を図ることができる。2水石膏及び半水石膏の合量に対する半水石膏のより好ましい割合は、SO3換算で60質量%以上であり、特に好ましくは70質量%以上である。
また、本発明においては、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40質量%以上であることが好ましい。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の割合を40質量%以上にすることにより、モルタルやコンクリートの流動性のさらなる向上や、水硬性組成物の水和熱の低減等を図ることができる。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のより好ましい割合は、50〜95質量%であり、特に好ましくは60〜90質量%である。
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量の定量は、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、モルタルや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。
本発明の水硬性組成物は、高炉スラグ粉末、フライアッシュ、石灰石粉末、珪石粉末から選ばれる1種以上の無機粉末を含むものである。無機粉末としては、モルタルやコンクリートの流動性や強度発現性、さらにはアルカリ骨材反応の抑制効果や耐硫酸塩性等から、高炉スラグ粉末、高炉スラグ粉末と石灰石粉末の組み合わたものを使用することが好ましい。
本発明において、水硬性組成物中の無機粉末量は、該無機粉末の種類により異なる。例えば、高炉スラグ粉末であれば、モルタルやコンクリートの流動性や強度発現性、さらにはアルカリ骨材反応の抑制効果、耐硫酸塩性等から、焼成物の粉砕物100質量部に対して、10〜150質量部であることが好ましく、20〜100質量部であることがより好ましい。フライアッシュ、石灰石粉末や珪石粉末であれば、焼成物の粉砕物100質量部に対して、10〜100質量部であることが好ましく、20〜80質量部であることがより好ましい。なお、高炉スラグ粉末と石灰石粉末を組み合わせて使用する場合は、モルタルやコンクリートの流動性や強度発現性等から、高炉スラグ粉末は焼成物の粉砕物100質量部に対して10〜150質量部が好ましく、石灰石粉末は焼成物の粉砕物100質量部に対して1〜20質量部であることが好ましい。
本発明の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し、該粉砕物に、高炉スラグ粉末、フライアッシュ、石灰石粉末、珪石粉末から選ばれる1種以上の無機粉末を混合する方法、
2)焼成物を粉砕し、該粉砕物に、石膏と、高炉スラグ粉末、フライアッシュ、石灰石粉末、珪石粉末から選ばれる1種以上の無機粉末を混合する方法、
3)焼成物と、石膏と、高炉スラグ粉末、フライアッシュ、石灰石粉末、珪石粉末から選ばれる1種以上の無機粉末を同時に粉砕する方法、
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。また、無機粉末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。
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、石膏と無機粉末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、モルタルや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。
本発明の水硬性組成物は、ペースト、モルタル又はコンクリートの状態で使用される。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。
モルタル又はコンクリートの状態で使用する場合は、通常モルタル、コンクリートの製造に使用されている細骨材・粗骨材、すなわち、川砂、陸砂、砕砂等や、川砂利、山砂利、砕石等を使用することができる。また、都市ゴミ、都市ゴミ焼却灰、下水汚泥焼却灰の一種以上を溶融して製造した溶融スラグ、あるいは高炉スラグ、製鋼スラグ、銅スラグ、碍子屑、ガラスカレット、陶磁器廃材、クリンカーアッシュ、廃レンガ、コンクリート廃材等の廃棄物を細骨材・粗骨材の一部または全部に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。
ペースト、モルタル又は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。
ペースト、モルタル又は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、建設発生土と、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.焼成物と石膏の粉砕物(以下、粉砕物と略す)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)を140℃で加熱して得た半水石膏をSO3換算で3.0質量部となるように添加し、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、粉砕物を調製した。
3.モルタル用材料
上記粉砕物以外の材料を以下に示す。
1)高炉スラグ粉末;ブレーン比表面積4000cm2/g
2)石灰石粉末;ブレーン比表面積4230cm2/g
3)細骨材;「JIS R 5201(セメントの物理試験方法)」に定める標準砂
4)水;水道水
5)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」)
4.モルタルの製造および評価
上記粉砕物と高炉スラグ粉末を表3に示す割合で混合して水硬性組成物を調製した。該水硬性組成物と、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。
2)圧縮強度
モルタルの圧縮強度(3日、7日および28日)を「JIS R 5201(セメントの物理試験方法)」に準じて測定した。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=3.0とした。
その結果を表3に示す。
表3より、本発明の水硬性組成物を使用したモルタル(実施例1〜8)では、流動性と強度発現性が良好であることが分かる。
5.焼成物と石膏の粉砕物(以下、粉砕物と略す)の調製
表1の焼成物(No.3)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4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、粉砕物を調製した。
6.モルタルの製造および評価
表4の各粉砕物55質量部、上記高炉スラグ粉末45質量部と上記石灰石粉末5質量部を混合して水硬性組成物を調製した。該水硬性組成物と、上記細骨材、水および減水剤を使用して、モルタルを調製し、実施例1と同様の方法でフロー値及び圧縮強度を測定した。また、以下の方法で水硬性組成物の水和熱を測定した。
1)水和熱
「JIS R 5201(セメントの物理試験方法)」に準じて測定した。
その結果を表5に示す。
表5より、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高いほど、モルタルの流動性が高く、水和熱が小さいことが分かる。

Claims (3)

  1. 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、高炉スラグ粉末10〜150質量部、フライアッシュ10〜100質量部、石灰石粉末10〜100質量部、珪石粉末10〜100質量部から選ばれる1種以上の無機粉末を含むことを特徴とする水硬性組成物。
  2. 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が、SO3換算で30質量%以上である請求項1記載の水硬性組成物。
  3. 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、40質量%以上である請求項1又は2に記載の水硬性組成物。
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