JP4498584B2

JP4498584B2 - セメント組成物

Info

Publication number: JP4498584B2
Application number: JP2000333749A
Authority: JP
Inventors: 宙平尾; 滋横山
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2000-10-31
Filing date: 2000-10-31
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2020-10-31
Also published as: JP2002145651A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ゴミ焼却灰や下水汚泥焼却灰等の廃棄物を原料として製造してなる水硬性組成物と強度増進剤を含むセメント組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
わが国では、経済成長、人口の都市部への集中化に伴い、産業・生活廃棄物が急増している。従来から、かかる廃棄物の大半は、焼却によって十分の一程度に減容後、埋め立て処分されている。しかし、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立が緊急課題となっている。その方法の一つとして、本出願人は、都市ゴミ焼却灰等を原料としてセメントを製造する方法を提案した（特開平７−１６５４４６号公報等）。しかし、この方法により製造されたセメントは、焼却灰等から主に由来する塩素（Ｃｌ）を０．８〜１．２重量％程度含有するため、鉄筋コンクリートに使用すると鉄筋の腐食が懸念され、セメント板、無筋ブロック等の無筋の建設資材分野で利用されるに過ぎなかった。
【０００３】
しかし、日々、多量に発生する廃棄物を使用して製造されるセメントの需給バランスを考慮すると、かかるセメントは多量に消費できるものでなければならず、セメントの使用量の大きな鉄筋コンクリート分野にも適用可能なセメントであることが望ましい。
【０００４】
そのため、本出願人は、さらに特願平１１−９０２７１号において都市ゴミ焼却灰等を原料として製造され、かつ塩素含有量の少ないセメントを提案した。しかし、このセメントはＣ₃ＳおよびＣ₂Ｓ量が少ないために、初期強度発現が遅く、全体的な強度もやや低いという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、廃棄物を原料として製造された水硬性組成物の強度発現性を改善したセメント組成物の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、廃棄物を原料として製造された水硬性組成物に特定の添加剤を添加することによって、当該水硬性組成物の他の物性に悪影響を及ぼすことなく、強度発現性を改善したセメント組成物を提供できることを見いだし本発明を完成した。
【０００７】
即ち、本発明は、以下の態様からなるセメント組成物である。
〔１〕都市ゴミ焼却灰、下水汚泥焼却灰の１種以上を原料として製造された水硬性組成物および強度増進剤を含むセメント組成物であって、前記水硬性組成物が、Ｃ_２ＳまたはＣ_３Ｓの１種または２種と、Ｃ_３Ａを１０〜２５重量％、Ｃ_４ＡＦを１０〜２０重量％かつＣ_３ＡとＣ_４ＡＦの合計量が２０〜３５重量％、塩素を０．１重量％未満、および石膏を１．５〜６重量％（ＳＯ_３換算）含有するものであり、石膏として、ニ水石膏、半水石膏または無水石膏の１種または２種以上を含有し、水硬性組成物１００重量部に対して、強度増進剤として、アルカノールアミン０．０１〜０．５重量部を含み、
更に、下記の一般式（１）
Ｒ^１Ｏ−（ＡＯ^１）_ａ−（ＥＯ）_ｂ−（ＡＯ^２）_ｃ−Ｒ^２（１）
（式中、Ｒ^１は炭化水素基又はアシル基を表わし、Ｒ^２は水素原子、炭化水素基又はアシル基を表わし、ＡＯ^１及びＡＯ^２は炭素数３以上のオキシアルキレン基を表わし、ＥＯはオキシエチレン基を表わし、ａ、ｂ及びｃは１以上の数を表わす。）で表わされるポリオキシアルキレンブロック共重合体系消泡剤を０．０１〜０．５重量部を含むことを特徴とするセメント組成物。
〔２〕前記原料に、下水汚泥に生石灰を添加した下水汚泥乾粉、貝殻の生活・産業廃棄物を１０重量％以上含有することを特徴とする、〔１〕記載のセメント組成物。
〔３〕前記原料に、前記水硬性組成物中の焼成物中のアルカリ量が１〜２重量％、塩素量が０．１重量％以下になるように、原料にアルカリ源または塩素源を添加して調整することを特徴とする〔１〕又は〔２〕記載のセメント組成物。
〔４〕前記アルカノールアミンが、トリイソプロパノールアミンまたはトリエタノールアミンの１種または２種である〔１〕乃至〔３〕のいずれかに記載のセメント組成物。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る水硬性組成物を構成する焼成物（クリンカ）の原料は、都市ゴミ焼却灰および／または下水汚泥焼却灰等の焼却灰と、必要に応じて、下水汚泥に生石灰を添加した下水汚泥乾粉、貝殻等の生活・産業廃棄物を１０重量％以上含有し、更に、石灰石粉、粘土、珪石、アルミ灰、ボーキサイト、鉄等の普通ポルトランドセメントの製造に使われている原料を適量混合して調整したものである。
【０００９】
更に、かかる廃棄物から主に由来する塩素およびナトリウム、カリウム等のアルカリを、焼成工程で蒸気圧の低いアルカリ塩化物に変換して揮発させて除去するため、焼成物の原料調整において、アルカリ塩化物を生成するのに十分な量のアルカリ源または塩素源を添加する。即ち、アルカリ量に比べ塩素量が過剰な原料に対してはアルカリ源を添加し、一方、塩素量に比べアルカリ量が過剰な場合は塩素源を添加する。具体的には、焼成工程でのアルカリの損失を考慮して、焼成物中のアルカリ量が１〜２重量％、好ましくは１〜１．５重量％になるように、原料にアルカリ源または塩素源を添加して調整すると、焼成物中の塩素量は０．１重量％未満になる。ここでアルカリ量とは、ナトリウムはＮａ₂Ｏに換算し、カリウムはＫ₂Ｏに換算した場合の、両者の合計重量％をいう。焼成物中のアルカリ量が１重量％未満では、塩素が揮発せずに残る場合があり、かかる残存塩素によりカルシウムクロロアルミネートが生成・混在し、できた焼成物の凝結性状が変動しやすくなる。また、焼成物中のアルカリ量が２重量％を超えると、これをコンクリートに使用した場合、アルカリ骨材反応等によりコンクリートの耐久性が低下する恐れがある。
【００１０】
本発明で使用できるアルカリ源として、例えば、炭酸ナトリウムまたはアルカリ含有廃棄物が使用でき、また、塩素源としては、例えば、塩化カルシウムまたは塩化ビニル樹脂等の塩素含有廃棄物が使用できる。
かかる成分調整した原料を１２００〜１４５０℃で焼成するのが好ましい。焼成温度が１２００℃未満では、できた焼成物の水和活性が低くなる他、アルカリ塩化物の揮発が十分でなく、アルカリまたは塩素が残存する場合がある。一方、焼成温度が１４５０℃を超えると、キルン内に溶融物が付着し安定操業ができなくなる。
【００１１】
水硬性組成物は、Ｃ₂ＳまたはＣ₃Ｓの１種または２種と、Ｃ₃Ａを１０〜２５重量％、Ｃ₄ＡＦを１０〜２０重量％かつＣ₃ＡとＣ₄ＡＦの合計量が２０〜３５重量％、塩素を０．１重量％未満、および石膏を１．５〜６重量％（ＳＯ₃換算）含有するものが好ましい。Ｃ₂ＳおよびＣ₃Ｓは水硬性組成物の中長期の強度発現に寄与し、Ｃ₃ＡおよびＣ₄ＡＦは初期の強度発現に寄与し、石膏は水硬性組成物の凝結調整機能を担う。
【００１２】
水硬性組成物中のアルミニウム源は焼却灰等の廃棄物から主に由来するため、Ｃ₃ＡまたはＣ₄ＡＦが１０重量％未満では、原料中の廃棄物の使用量が少なくなり廃棄物の有効利用や再資源化の観点から好ましくなく、Ｃ₃ＡとＣ₄ＡＦの合計量が３５重量％を超えると、水硬性組成物の硬化体に膨張によるひび割れが生じる場合がある。
【００１３】
また、石膏は二水石膏、半水石膏または無水石膏の１種または２種以上が使用できる。石膏の配合量はＳＯ₃換算で１．５重量％未満では、水硬性組成物を水と混練した際に凝結異常を起こす場合があり、６重量％を超えると水硬性組成物の硬化体が長期にわたって膨張し、耐久性および寸法安定性が低下する場合がある。
【００１４】
本発明に係るセメント組成物の製造方法として、例えば、焼成物を単独で粉砕した後に石膏および強度増進剤を混合するか、焼成物を石膏と共に粉砕した後に強度増進剤を混合するか、または、焼成物、石膏および強度増進剤を混合した後に同時に粉砕する態様を挙げることができる。セメント組成物の粉末度は、ブレーン比表面積で３５００〜６０００ｃｍ²／ｇが好ましい。ブレーン比表面積が３５００ｃｍ²／ｇ未満では、水硬性が十分ではなく、短期および長期の強度発現性が低くなる傾向になる。また、６０００ｃｍ²／ｇを超えると流動性が低下するのみならず、長期の強度発現性の更なる向上は少ない。
【００１５】
強度増進剤は、例えば、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、モノイソプロパノールアミン、ジイソプロパノールアミン、トリイソプロパノールアミン、メチルエタノールアミン、メチルイソプロパノールアミン、メチルジエタノールアミン、メチルジイソプロパノールアミン等のアルカノールアミンが挙げられるが、好ましくはトリイソプロパノールアミンまたはトリエタノールアミンの１種または２種を挙げることができる。
【００１６】
また、強度増進剤の使用量は、セメント１００重量部に対し、アルカノールアミンとして０．００１重量部以上が好ましく、０．００１〜０．５重量部がより好ましい。使用量があまりにも少ないと、強度増進効果が十分では無く、あまりにも多いと使用量に見合っただけの効果が無く技術的に意味が無いからである。尚、強度増進剤は、セメント組成物を用いてコンクリート等を混練する際に、その混練水に溶解して使用することもできる。
【００１７】
セメント組成物の混練時に混練物中の空気量が過大になる場合は、強度増進剤に消泡剤を含めるとよい。当該消泡剤としては、一般式（１）
Ｒ¹Ｏ−（ＡＯ¹）_a−（ＥＯ）_b−（ＡＯ²）_c−Ｒ² （１）
（式中、Ｒ¹は炭化水素基又はアシル基を表わし、Ｒ²は水素原子、炭化水素基またはアシル基を表わし、ＡＯ¹およびＡＯ²は炭素数３以上のオキシアルキレン基を表わし、ＥＯはオキシエチレン基を表わし、ａ、ｂ及びｃは１以上の数を表わす。）
で表わされるポリオキシアルキレンブロック共重合体系消泡剤が好ましい。
一般式（１）において、Ｒ¹は炭化水素基またはアシル基を表わし、Ｒ²は水素原子、炭化水素基またはアシル基を表わす。
【００１８】
炭化水素基としては例えば、アルキル基、アルケニル基、アルキルアリール基、シクロアルキル基、シクロアルケニル基等が挙げられる。アルキル基としては例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、２級ブチル、ターシャリブチル、ペンチル、イソペンチル、２級ペンチル、ネオペンチル、ターシャリペンチル、ヘキシル、２級ヘキシル、ヘプチル、２級ヘプチル、オクチル、２−エチルヘキシル、２級オクチル、ノニル、２級ノニル、デシル、２級デシル、ウンデシル、２級ウンデシル、ドデシル、２級ドデシル、トリデシル、イソトリデシル、２級トリデシル、テトラデシル、２級テトラデシル、ヘキサデシル、２級ヘキサデシル、ステアリル、イコシル、ドコシル、テトラコシル、トリアコンチル、２−ブチルオクチル、２−ブチルデシル、２−ヘキシルオクチル、２−ヘキシルデシル、２−オクチルデシル、２−ヘキシルドデシル、２−オクチルドデシル、２−デシルテトラデシル、２−ドデシルヘキサデシル、２−ヘキサデシルオクタデシル、２−テトラデシルオクタデシル、モノメチル分枝−イソステアリル等が挙げられる。
【００１９】
アルケニル基としては例えば、ビニル、アリル、プロペニル、イソプロペニル、ブテニル、イソブテニル、ペンテニル、イソペンテニル、ヘキセニル、ヘプテニル、オクテニル、ノネニル、デセニル、ウンデセニル、ドデセニル、テトラデセニル、オレイル等が挙げられる。
【００２０】
アルキルアリール基としては例えば、フェニル、トルイル、キシリル、クメニル、メシチル、ベンジル、フェネチル、スチリル、シンナミル、ベンズヒドリル、トリチル、エチルフェニル、プロピルフェニル、ブチルフェニル、ペンチルフェニル、ヘキシルフェニル、ヘプチルフェニル、オクチルフェニル、ノニルフェニル、デシルフェニル、ウンデシルフェニル、ドデシルフェニル、α−ナフチル、β−ナフチル基等が挙げられる。
【００２１】
シクロアルキル基、シクロアルケニル基としては例えば、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロヘプチル、メチルシクロペンチル、メチルシクロヘキシル、メチルシクロヘプチル、シクロペンテニル、シクロヘキセニル、シクロヘプテニル、メチルシクロペンテニル、メチルシクロヘキセニル、メチルシクロヘプテニル基等が挙げられる。
【００２２】
アシル基としては例えば、アセチル、プロピオニル、ブチリル、イソブチリル、バレリル、イソバレリル、ピバリル、ラウロイル、ミリストイル、パルミトイル、ステアロイル、アクリロイル、プロピオロイル、メタクロイル、クロトノイル、オレイロイル、ベンゾイル、フタロイル、スクシニル等が挙げられる。
これらの中でも、優れた消泡性を発揮させるためには、Ｒ¹は炭素数８〜３６のアルキル基、アルケニル基またはアシル基が好ましい。Ｒ²は水素原子が好ましい。
【００２３】
また、一般式（１）において、ＡＯ¹及びＡＯ²は炭素数３以上のオキシアルキレン基を表わす。炭素数３以上のオキシアルキレン基としては、例えば、オキシプロピレン基、オキシブチレン基、オキシへキシレン基、オキシオクチレン基、オキシスチレン基等が挙げられる。なかでも、オキシプロピレン基またはオキシブチレン基が好ましい。ＥＯはオキシエチレン基を表わす。一般式（１）における（ＡＯ¹）_a−（ＥＯ）_b−（ＡＯ²）_cの部分は、炭素数３以上のアルキレンオキサイドおよびエチレンオキサイドのブロック重合で構成される。
【００２４】
重合度ａ、ｂおよびｃは１以上の数を表わす。なかでも、優れた消泡性および分散性を発揮させるためには、ａは１〜３００の範囲が好ましく、５〜１００の範囲が更に好ましい。同様に、ｂは１〜１００の範囲が好ましく、１〜５０の範囲がより好ましく、２〜３０の範囲が最も好ましい。ｃは１〜３００の範囲が好ましく、１〜１００の範囲がより好ましく、１〜５０の範囲が最も好ましい。
【００２５】
また、一般式（１）で表わされる化合物中にオキシエチレン基が占める割合は、好ましくは３０重量％以下、より好ましくは２０重量％以下である。また、一般式（１）で表される化合物の分子量は５００〜２０，０００の範囲が好ましく、１，０００〜５，０００の範囲が最も好ましい。
【００２６】
一般式（１）で表わされるポリオキシアルキレンブロック共重合体系消泡剤は、ポリエチレングリコール鎖を中心として、その両端にポリプロピレングリコール鎖等のポリアルキレングリコール鎖が結合した構造を特徴とし、ＡＥ剤やＡＥ減水剤等の空気連行性に影響を与えることなく、トリイソプロパノールアミン等のアルカノールアミンの空気連行性のみを選択的に低減しうる性質を有する。また、この構造上の特徴を有する消泡剤は、コンクリート等中のセメント、骨材等の固相表面に吸着しにくく、液相中に高い割合で分散するため、他の構造の消泡剤に比べて消泡効果が高い。
【００２７】
一般式（１）で表わされる消泡剤と、アルカノールアミンの配合割合は、アルカノールアミン１００重量部に対し、消泡剤５重量部以上が好ましく、５〜３００重量部がより好ましい。これは、あまりにも消泡剤の使用量が少ないと、アルカノールアミンの空気連行性を低減する効果が十分でなく、あまりにも多いと、添加量に見合っただけの効果が無く技術的に意味が無いからである。
【００２８】
また、強度増進剤には、更に、他の公知の消泡剤、例えば鉱油、植物油、脂肪族アルコール、脂肪酸または高級アルコール、脂肪酸若しくはアルキルフェノール等のアルキレンオキサイド付加物等を含めてもよい。
【００２９】
また、本発明に係るセメント組成物は、ＡＥ剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、防錆剤、凝結遅延剤、収縮低減剤等の混和剤や、石灰石粉末、スラグ、フライアッシュ、石炭灰等の混和材を併用してモルタル、コンクリート等を製造することができる。
【００３０】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を示すが、これらは例示であり、本発明を限定するものではない。尚、消泡剤の構造式中、ＥＯはオキシエチレン基、ＰＯはオキシプロピレン基、ＢＯはオキシブチレン基を表わす。
【００３１】
１．水硬性組成物の製造
表１に示す化学成分を有する、乾燥した都市ゴミ焼却灰３２．０重量％、石灰石粉６４．２重量％、粘土２．４重量％、ソーダ灰（炭酸ナトリウム９９．６重量％含有；セントラル硝子社製）１．４重量％を配合して成分調整した原料を、ロータリーキルンを用いて１３００〜１４５０℃で焼成した。得られた焼成物は、縦型ミルでブレーン比表面積が４０００ｃｍ²／ｇになるように粉砕し、ブレーン比表面積が４０００ｃｍ²／ｇの半水石膏を混合して水硬性組成物を製造した。当該水硬性組成物の鉱物組成を表２に示す。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【表２】

【００３４】
２．セメント組成物の製造
次に、当該水硬性組成物１００重量部に対し、表３に示す重量部のトリイソプロパノールアミン（ＴＩＰＡ）を混合してセメント組成物（Ａ〜Ｆ）を製造した。
【００３５】
【表３】

【００３６】
３．コンクリートの空気量および圧縮強度の測定
表４に示す配合に従いコンクリートを製造し、練り混ぜ直後の空気量、並びに材齢７日及び２８日の圧縮強度を測定した。この測定結果を表５に示す。また、比較のためセメント組成物に代えて、強度増進剤を含まない水硬性組成物を使用したコンクリートも製造して上記の物性を測定した。
尚、コンクリートの目標空気量は、（強度増進剤を含まない水硬性組成物コンクリートの空気量）±１．５％の範囲である。
【００３７】
【表４】

【００３８】
【表５】

【００３９】
表５から分かるように、ＴＩＰＡと消泡剤を０．００１〜０．５重量部含有するセメント組成物（Ａ〜Ｅ）を用いて製造したコンクリートの場合、空気量は全て上記の目標空気量４．６±１．５％、即ち、３．１〜６．１％を満たし、また、圧縮強度は材齢７日、２８日何れにおいてもＴＩＰＡの含有量とともに増加した。
強度増進剤を含有しない水硬性組成物を用いたコンクリートに比べ、材齢７日で最大約２０％、材齢２８日で最大約１９％程向上している。
【００４０】
【発明の効果】
本発明のセメント組成物は、都市ごみ焼却灰等の廃棄物を原料として使用でき、強度発現性が良好である。したがって本発明に係る水硬性組成物の製造を通じて、廃棄物の資源化および有効利用を促進できると共に、有効な廃棄物処理方法を提案するという効果も有する。

Claims

都市ゴミ焼却灰、下水汚泥焼却灰の１種以上を原料として製造された水硬性組成物および強度増進剤を含むセメント組成物であって、
前記水硬性組成物が、Ｃ_２ＳまたはＣ_３Ｓの１種または２種と、Ｃ_３Ａを１０〜２５重量％、Ｃ_４ＡＦを１０〜２０重量％かつＣ_３ＡとＣ_４ＡＦの合計量が２０〜３５重量％、塩素を０．１重量％未満、および石膏を１．５〜６重量％（ＳＯ_３換算）含有するものであり、石膏として、ニ水石膏、半水石膏または無水石膏の１種または２種以上を含有し、水硬性組成物１００重量部に対して、強度増進剤として、アルカノールアミン０．０１〜０．５重量部を含み、
更に、下記の一般式（１）
Ｒ^１Ｏ−（ＡＯ^１）_ａ−（ＥＯ）_ｂ−（ＡＯ^２）_ｃ−Ｒ^２（１）
（式中、Ｒ^１は炭化水素基又はアシル基を表わし、Ｒ^２は水素原子、炭化水素基又はアシル基を表わし、ＡＯ^１及びＡＯ^２は炭素数３以上のオキシアルキレン基を表わし、ＥＯはオキシエチレン基を表わし、ａ、ｂ及びｃは１以上の数を表わす。）で表わされるポリオキシアルキレンブロック共重合体系消泡剤を０．０１〜０．５重量部を含むことを特徴とするセメント組成物。
前記原料に、下水汚泥に生石灰を添加した下水汚泥乾粉、貝殻の生活・産業廃棄物を１０重量％以上含有することを特徴とする、請求項１記載のセメント組成物。
前記原料に、前記水硬性組成物中の焼成物中のアルカリ量が１〜２重量％、塩素量が０．１重量％以下になるように、原料にアルカリ源または塩素源を添加して調整することを特徴とする請求項１又は２記載のセメント組成物。
前記アルカノールアミンが、トリイソプロパノールアミンまたはトリエタノールアミンの１種または２種である請求項１乃至３のいずれかに記載のセメント組成物。