JP4999179B2 - 高強度セメント組成物用混和材及びこれを用いた高強度セメント組成物 - Google Patents

Description

本発明は、高強度セメント組成物用混和材に関し、詳しくは、石膏廃材から得た無水石膏を原材料として有効利用した高強度セメント組成物用混和材に関する。また、本発明は、高強度セメント組成物に関し、詳しくは、石膏廃材を有効再利用した高強度セメント組成物用混和材を用いた高強度セメント組成物に関する。

石膏ボードは、防火性・防音性に優れ、温度・湿度による伸び縮みが少なく、施工が容易であること等から、天井や壁等の内装材として広く使用されている。このため、建築物の建て替えが進むと大量に石膏ボードの廃材（廃石膏ボード）が発生する。また、模型作成や義歯作製等の型材として石膏が使用され、ここで使用された石膏も廃棄物として廃棄処分されている。このような石膏廃材をセメントや石膏等にリサイクルすることを可能とする処理方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。しかし、リサイクル処理には一般的に多大なコストを要すため、より高付加価値の製品として利用できる技術が望まれていた。
特開２００４−７３９７６号公報

本発明は、石膏廃材のリサイクル技術について、従来の上記問題を解決したものであり、石膏廃材を原材料とした高付加価値な製品、即ち高強度セメント組成物用混和材を提供することを目的とする。また、本発明は、石膏廃材を原材料とした高強度セメント組成物を提供することを目的とする。

本発明は、特定のII型無水石膏として含有させることによって上記問題を解決した。即ち、本発明は、以下の（１）で表す高強度セメント組成物用混和材および（２）で表す高強度セメント組成物である。
（１）石膏廃材を加熱処理してなるブレーン比表面積で８０００ｃｍ^２／ｇ以上のII型無水石膏を含有することを特徴とする高強度セメント組成物用混和材。
（２）上記(１)に記載する高強度セメント組成物用混和材と、セメントとを含有し、該高強度セメント組成物用混和材の添加量がセメント１００質量部に対し５〜３０質量部である高強度セメント組成物。

本発明によれば、石膏廃材を原材料とした高付加価値な製品、即ち高強度セメント組成物用混和材が得られる。また、本発明によれば、石膏廃材を原材料とした高強度セメント組成物が得られる。本発明により得られる高強度セメント組成物は、加熱養生することにより、１００Ｎ／ｍｍ^２以上の高強度となる。本発明によれば、１００Ｎ／ｍｍ^２以上の高強度の、ヒューム管やボックスカルバート等のセメント製品が得られる。

また、本発明によれば、石膏廃材を原材料とした高付加価値な製品が得られるので、石膏廃材のリサイクルが促進される。

本発明の高強度セメント組成物用混和材は、廃石膏ボード等の石膏廃材を加熱処理してなるブレーン比表面積で８０００ｃｍ^２／ｇ以上のII型無水石膏を含有することを特徴とする高強度セメント組成物用混和材である。用いる石膏廃材としては、廃石膏ボード、又は模型作成や義歯作製等の型材として使用された石膏が使用でき、まとめて多くの石膏廃材が得られることから、廃石膏ボードが好適である。用いる廃石膏ボードとしては、その発生源は特に限定されない。例えば、建築物の建て替えにより発生するもの、新設の建設現場で成形により発生するもの、又は製造工場で不良品とされたもの等が挙げられる。

本発明において、石膏廃材を加熱処理する方法・装置は、石膏廃材中の石膏成分である二水石膏がII型無水石膏に分解される温度になる方法・装置であれば特に限定されない。石膏廃材からII型無水石膏を得る方法としては、石膏廃材を破砕または粉砕した後に、３５０℃以上の温度に加熱し、粉末を得ることが好ましい。石膏廃材を破砕または粉砕せずに焼成を行なうと、石膏廃材中に含まれる水分や紙成分等が残存し易い。加熱処理する方法・装置としては、例えば、キルンにより焼成する方法、サイクロンを用いて熱風と熱交換する方法などが挙げられる。

また、本発明に使用するII型無水石膏の粉末度は、より少ない石膏の使用量で高強度が得られることから、ブレーン比表面積で８０００ｃｍ^２／ｇ以上とする。より少ない石膏の使用量でより高い強度が得られ且つエネルギー効率が高いことから、ブレーン比表面積で１００００〜３００００ｃｍ^２／ｇがより好ましい。

本発明には、シリカ質微粉末を含有することが、より高強度を得られるので好ましい。本発明においてシリカ質微粉末とは、常温において水硬性ではない、珪酸塩又はシリカ鉱物を主成分とするブレーン比表面積で４０００ｃｍ^２／ｇ以上の微粉末のことを云う。シリカ質微粉末としては、例えば、シリカフューム、メタカオリン、フライアッシュ等が挙げられる。セメント組成物の強度が高く且つ高いコンシステンシーが得られるので、シリカ質微粉末としてはシリカフュームを含有するものであることが好ましい。

本発明においてシリカ質微粉末は、上記のII型無水石膏１００質量部に対し、３０〜４００質量部含有することが、充分なコンシステンシーを有する高強度セメント組成物が得られることから好ましい。３０質量部未満では高強度が得難く、４００質量部を超えると流動性が低下する。充分なコンシステンシー有する高強度セメント組成物を得やすいことから、より好ましくは、上記のII型無水石膏１００質量部に対し、シリカ質微粉末を５０〜２００質量部とする。

本発明には、上記のII型無水石膏１００質量部に対し、更に、スラグ粉末を５〜２０質量部、保水剤を０．１〜２質量部含有するとすることが、セメント組成物の強度発現性が優れ且つ材料分離を起こし難いことから好ましい。

本発明に使用するスラグ粉末は、潜在水硬性を有し、セメント水和生成物をより強固にする。スラグ粉末としては、例えば高炉スラグ等の金属精錬で発生する鉱滓の粉末、都市ゴミ溶融スラグ粉末、下水汚泥溶融スラグ粉末等が挙げられる。安定した品質のものが得易いことから、高炉スラグ粉末が好ましい。スラグ粉末の粉末度は、添加したセメント組成物の強度が高くなることから、ブレーン比表面積で２７００〜１２０００ｃｍ^２／ｇとすることが好ましい。このようなスラグ粉末の添加量は、上記のII型無水石膏１００質量部に対し、５〜２０質量部とすることが好ましい。５質量部未満では、スラグ粉末を添加した効果が得難く、２０質量部を超えると、セメント組成物のコンシステンシーが低下し易い。

本発明の保水剤は、セメントの水和に必要な水を保持することで、セメント組成物の強度が高くなり且つ材料分離を抑制する。また、保水剤は、混練後のセメント組成物の保形性を高め、遠心成形を行っても材料分離により生じるスラッジ状の脆弱層(ノロ)やスラリー状の分離物（トロ）の発生を抑制する。このような保水剤としては、例えばヒドロキシメチルセルロースやヒドロキシプロピルセルロース等の水溶性セルロース；アルギン酸、β-１，３グルカン、プルラン、ウェランガム等の多糖類；アクリル樹脂やポリビニルアルコール等のポリビニル等が挙げられ、これらの一種又は二種以上の使用が可能であるが、少量で水中不分離性が高いことから水溶性セルロースが好ましい。水溶性セルロースとしては、ヒドロキシアルキルセルロースおよび／またはヒドロキシアルキルアルキルセルロースからなる非イオン性の水溶性セルロースエーテルが用いられる。ヒドロキシアルキルセルロースとしては、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等が挙げられる。ヒドロキシアルキルアルキルセルロースとしては、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルエチルセルロース等が挙げられる。これらの水溶性セルロースは２種以上を併用しても良い。このような保水剤の添加量は、上記のII型無水石膏１００質量部に対し、０．１〜２質量部とすることが好ましい。０．１質量部未満では、保水剤を添加した効果が得難く、２質量部を超えると、セメント組成物の粘性が過大となり作業性が悪くなる。

また、本発明の高強度セメント組成物は、上記の高強度セメント組成物用混和材、セメント、並びに必要により添加する骨材及び他の混和材料を含有する。上記の高強度セメント組成物用混和材の添加量は、セメント１００質量部に対し５〜３０質量部が好ましい。５質量部未満では、上記の高強度セメント組成物用混和材を添加した効果が得難く、３０質量部を超えるとセメント組成物の粘性が過大となり作業性が悪くなる。

本発明に使用するセメントとしては、水硬性セメントであればよく、例えば、普通、早強、超早強、低熱及び中庸熱等の各種ポルトランドセメント、エコセメント、並びにこれらポルトランドセメント又はエコセメントに、フライアッシュ、高炉スラグ、シリカフューム又は石灰石微粉末等を混合した各種混合セメント、太平洋セメント社製「ジェットセメント」（商品名）や住友大阪セメント社製「ジェットセメント」（商品名）等の超速硬セメント、アルミナセメント等が挙げられ、これらを一種単独で用いる又は二種以上併用することができる。セメント組成物の圧縮強度が高いことから、セメントとして普通ポルトランドセメント又は／及び早強ポルトランドセメントを使用することが好ましい。

本発明に必要により使用する骨材としては、モルタルやコンクリートに使用可能な骨材であればよく、例えば、川砂、海砂、山砂、砕砂、人工細骨材、スラグ細骨材、再生細骨材、スラグ細骨材、珪砂、石粉、川砂利、陸砂利、砕石、人工粗骨材、再生粗骨材、スラグ粗骨材等が挙げられ、これらの一種又は二種以上の使用が可能である。

本発明に必要により使用する他の混和材料としては、モルタルやコンクリートに使用可能な混和材料であればよく、セメント、上記のII型無水石膏、シリカ質微粉末、保水剤及びスラグ粉末以外に、上記以外の混和材料の一種又は二種以上を本発明の効果を損なわない範囲で併用することができる。この混和材料としては、例えば減水剤，高性能ＡＥ減水剤，高性能減水剤，ＡＥ減水剤，流動化剤等のセメント分散剤、セメント用ポリマー、発泡剤、起泡剤、防水材、防錆剤、収縮低減剤、顔料、繊維、撥水剤、白華防止剤、膨張材(剤)、急結剤(材)、急硬剤(材)、消泡剤、石灰石粉末、撥水剤、表面硬化剤等が挙げられる。

本発明の高強度セメント組成物は、水を混練に用いる。混和材料に含まれる水を用いてもよい。水と混練する方法は特に限定されず、例えば本発明の高強度セメント組成物を全量加え混練する方法、本発明の高強度セメント組成物を２以上に分けて混練し、分けて混練したものを合わせて更に混練する方法等がある。また、混練に用いる器具や混練装置も特に限定されないが、ミキサを用いることが量を多く混練できるので好ましい。用いることのできるミキサとしては連続式ミキサでもバッチ式ミキサでも良く、例えばパン型コンクリートミキサ、パグミル型コンクリートミキサ、重力式コンクリートミキサ、グラウトミキサ、ハンドミキサ、左官ミキサ等が挙げられる。

＜高強度セメント組成物用混和材の作製＞
表１に示す配合割合で、レーディゲミキサ（ＦＭ１３０Ｄ）により３分間混合し、高強度セメント組成物用混和材を作製した。このときの使用材料を以下に示す。
＜使用材料＞
スラグ粉末： 高炉スラグ粉末（市販品、ブレーン比表面積；４０００ｃｍ^２／ｇ）
シリカ質微粉末： シリカフューム（市販品、ＢＥＴ比表面積；２０ｍ^２／ｇ）
II型無水石膏： 石膏ボード廃材を粉砕後に３５０℃以上の温度で焼成することにより再生したII型無水石膏（ＳＯ_３量：５６．８重量％、ブレーン比表面積；１２０００ｃｍ^２／ｇ）
保水剤： 水溶性セルロース系増粘剤（商品名「メトローズＳＥＢ−０４Ｔ」，信越化学工業社製，主成分；ヒドロキシエチルメチルセルロース）

＜高強度セメント組成物の作製＞
作製した高強度セメント組成物用混和材及び次に示す使用材料を、表２に示す配合割合となるように、パグミル型コンクリートミキサに全材料を投入後２分間混練することで、本発明の高強度セメント組成物に相当するコンクリートを作製した。
＜使用材料＞
セメント： 早強ポルトランドセメント（太平洋セメント社製）
セメント分散剤： ポリカルボン酸系高性能減水剤（商品名「コアフローＣＰ−３４０」、太平洋マテリアル社製）
細骨材： 静岡県菊川市産山砂（密度；２．６１ｇ／ｃｍ^３）
粗骨材： 茨城県桜川市産砕石（最大粒径；２０ｍｍ，密度；２．６４ｇ／ｃｍ^３）
水： 水道水

＜コンクリートの流動性の評価＞
前記の如く混練して得たコンクリートの流動性の評価を、ＪＩＳ Ａ １１０１に準じたスランプ試験により、混練終了１分以内のコンクリートに対して行った。その結果を表３に表す。

＜コンクリートの圧縮強度の評価＞
前記の混練して得たコンクリートを用い、ＪＩＳ Ａ １１０８に準拠した方法でコンクリート供試体の圧縮強度を測定した。ここで、測定に用いる供試体は、内寸直径１０ｃｍ，高さ２０ｃｍの円柱状型枠にコンクリートを振動充填し、充填状態のまま蒸気養生処理（処理条件；前置き時間を４時間とし、１５℃／ＨＲで７０℃まで昇温させ、７０℃で４時間保持し、当該保持後は自然放冷し、約３０℃に至った時点で脱型）を行い、更に脱型後は常温下で気中養生を行い、材齢７日の供試体とした。圧縮強度の測定結果も表３に表す。

＜遠心成形によるコンクリート成形物の作製＞
また、前記の如く混練して得たコンクリートを用い、ＪＩＳ Ａ１１３６に準拠し、内寸直径２０ｃｍ，長さ３０ｃｍの小型遠心管を用い、次に示す二種類の条件で遠心成形を行った。
通常回転遠心成形；遠心力５Ｇで１分、次いで１５Ｇで２分、更に３５Ｇで８分。
低速回転遠心成形；遠心力２Ｇで５分、次いで４Ｇで３分、更に２０Ｇで３分。

遠心成形後は、これを常圧蒸気養生した。蒸気養生は、前置き時間を４時間とし、１５℃／ＨＲで７０℃まで昇温させ、７０℃で４時間保持した。当該保持後は自然放冷し、約３０℃に至った時点で脱型した。

＜コンクリートの遠心成形特性の評価＞
遠心成形に供したコンクリートの成形特性について、次に示す通常遠心成形における締固め性と低速回転遠心成形における保形性により評価した。これらの結果は、表４に表す。
［締固め性］
締固め性は、脱型後の成形物を目視し、成形物内面が平滑な曲面となったものを締固め性「良好」と判断し、例えば成形物内面が波打つような面となったもののように平滑な曲面とならなかったものを全て締固め性「不良」と判断した。また併せて、締固め後の成形物内面に残存する脆弱層（ノロ層）の平均厚さをノギスにより測定した。
［保形性］
保形性は、脱型後の成形物を目視し、低粘性状態のスラリー状の分離物（トロ）の発生が見られず、成形物内面が平滑な曲面となり且つ当該平滑曲面が３０分経過後も実質変形なく維持されていたものを保形性「良好」と判断し、それ以外の状況となったものを全て保形性「不良」と判断した。

表３の結果から、本発明の高強度セメント組成物用混和材を使用したコンクリートは、低水量配合にしても施工や成形に適した流動性が確保し易く、加熱養生（蒸気養生）後は圧縮強度が１１０Ｎ／ｍｍ^２以上と、高い強度発現性を有した。更に表４の結果から、該高強度セメント組成物用混和材を適量使用したコンクリートは、遠心成形を行った際の材料分離により生じるノロ及びトロの発生量も著しく低く、優れた保形性を呈し、しかも非常に高い強度発現性を有する成形物が得られることがわかる。

本発明の高強度セメント組成物用混和材およびこれを用いた高強度セメント組成物は、高強度モルタルや高強度コンクリート等の製造に用いることができる。特に、遠心成形により製造されるヒューム管等に好適に持ちいることができる。

Claims (2)

1. 石膏廃材を加熱処理してなるブレーン比表面積で８０００ｃｍ^２／ｇ以上のII型無水石膏を含有し、このII型無水石膏１００質量部に対し、シリカ質微粉末を３０〜４００質量部、スラグ粉末を５〜２０質量部、保水剤を０．１〜２質量部含有することを特徴とする高強度セメント組成物用混和材。
2. 請求項１に記載する高強度セメント組成物用混和材と、セメントとを含有し、該高強度セメント組成物用混和材の添加量がセメント１００質量部に対し５〜３０質量部である高強度セメント組成物。