JP5191378B2 - 速硬性セメント - Google Patents
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Description
本発明は、速硬性セメントに関し、特に、低温時の早期強度発現性が良好な速硬性セメントに関する。
コンクリート打設の緊急工事や緊急補修工事、例えばジャンカ打ち継ぎ部補修工事、道路・駐車場の補修工事、工場・倉庫・店舗の床補修工事等においては、前日にコンクリートの打設を行い、次の日には使用可能状態となることが望まれる。
このようなコンクリート打設工事に、3CaO・3Al2O3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物20〜60質量％、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物20〜70質量％、無水石膏0.5〜30質量％、炭酸リチウム0.1〜3.0質量％及びクエン酸0.05〜2.0質量％からなる速硬性セメントを使用することが提案されている（特許文献１）。
特開平１−２９０５４３号公報
このようなコンクリート打設工事に、3CaO・3Al2O3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物20〜60質量％、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物20〜70質量％、無水石膏0.5〜30質量％、炭酸リチウム0.1〜3.0質量％及びクエン酸0.05〜2.0質量％からなる速硬性セメントを使用することが提案されている（特許文献１）。
上記特許文献１に記載の速硬性セメントは、低温時の早期強度発現性に優れるものではあるが、緊急(補修)工事等における工事期間の短縮の要求から、より一層の低温時の早期強度発現性の向上が求められている。
また、上記特許文献１に記載の速硬性セメントでは、低温時の早期強度発現性を高めるためには、ブレーン比表面積の異なる２種類の無水石膏を使用する必要がある。すなわち、特許文献１に記載の速硬性セメントでは、無水石膏の一部はクリンカーの粉砕時に微粉化し、残部はブレーン比表面積3000cm2/g以下の粗粉状態で後添加する必要があり、その製造に手間がかかるものであった。
また、上記特許文献１に記載の速硬性セメントでは、低温時の早期強度発現性を高めるためには、ブレーン比表面積の異なる２種類の無水石膏を使用する必要がある。すなわち、特許文献１に記載の速硬性セメントでは、無水石膏の一部はクリンカーの粉砕時に微粉化し、残部はブレーン比表面積3000cm2/g以下の粗粉状態で後添加する必要があり、その製造に手間がかかるものであった。
本発明者らは、斯かる実情に鑑み、鋭意検討した結果、3CaO・3Al2O3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物及び無水石膏を含む速硬性セメントにおいて、特定の凝結促進材及び凝結遅延剤を使用することにより、(1)凝結促進材として炭酸リチウムを使用した場合に比べて、低温での早期強度発現性が向上すること、また、(2)ブレーン比表面積の異なる２種類の無水石膏を使用しなくても低温時の早期強度発現性を高めることができることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、3CaO・3Al2O3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物、無水石膏、凝結促進材及び凝結遅延剤を含む速硬性セメントであって、前記凝結促進材が、チオ硫酸ナトリウム又は乳酸カルシウムであり、前記凝結遅延剤が、クエン酸及びその塩、ヘプトン酸及びその塩、コハク酸及びその塩、酒石酸及びその塩の中から選ばれる一種以上の凝結遅延剤であることを特徴とする速硬性セメントを提供するものである。
本発明の速硬性セメントは、低温での早期強度発現性が良好であるので、冬季における緊急(補修)工事等の工事期間を短縮することができる。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の速硬性セメントは、3CaO・3Al2O3・CaSO4(以降、C3A3・CaSO4と略す)を主成分とするクリンカー粉砕物、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物、無水石膏、凝結促進材及び凝結遅延剤を含むものである。
C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカーは、C3A3・CaSO4を50〜70質量％(より好ましく55〜65質量％)含有することが好ましい。C3A3・CaSO4の含有量が50質量％未満では、速硬性セメントの早期強度発現性が低下する。一方、C3A3・CaSO4の含有量が70質量％を超えると、速硬性セメントの作業性が低下する。
C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカーにおいて、C3A3・CaSO4以外の鉱物としては、2CaO・SiO2(以降、C2Sと略す)、4CaO・Al2O3・Fe2O3(以降、C4AFと略す)及び無水石膏を含むことが好ましい。これらの鉱物の含有量は、速硬性セメントの強度発現性や作業性、製造のし易さ等から、C2Sが20〜30質量％(より好ましく24〜30質量％)、C4AFが2〜8質量％(より好ましく3〜7質量％)及び無水石膏が1〜5質量％(より好ましく2〜4質量％)であることが好ましい。
なお、C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカーにおいて、フリーライム量は、速硬性セメントの強度発現性や作業性等から、2.5質量％以下、特に1.5質量％以下であるのが好ましい。
本発明の速硬性セメントは、3CaO・3Al2O3・CaSO4(以降、C3A3・CaSO4と略す)を主成分とするクリンカー粉砕物、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物、無水石膏、凝結促進材及び凝結遅延剤を含むものである。
C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカーは、C3A3・CaSO4を50〜70質量％(より好ましく55〜65質量％)含有することが好ましい。C3A3・CaSO4の含有量が50質量％未満では、速硬性セメントの早期強度発現性が低下する。一方、C3A3・CaSO4の含有量が70質量％を超えると、速硬性セメントの作業性が低下する。
C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカーにおいて、C3A3・CaSO4以外の鉱物としては、2CaO・SiO2(以降、C2Sと略す)、4CaO・Al2O3・Fe2O3(以降、C4AFと略す)及び無水石膏を含むことが好ましい。これらの鉱物の含有量は、速硬性セメントの強度発現性や作業性、製造のし易さ等から、C2Sが20〜30質量％(より好ましく24〜30質量％)、C4AFが2〜8質量％(より好ましく3〜7質量％)及び無水石膏が1〜5質量％(より好ましく2〜4質量％)であることが好ましい。
なお、C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカーにおいて、フリーライム量は、速硬性セメントの強度発現性や作業性等から、2.5質量％以下、特に1.5質量％以下であるのが好ましい。
ポルトランドセメントクリンカ−としては、普通、早強、中庸熱及び低熱ポルトランドセメントクリンカーを使用できる。本発明においては、速硬性セメントの作業性や強度発現性等から、普通ポルトランドセメントクリンカーを使用することが好ましい。
無水石膏としては、速硬性セメントの強度発現性や作業性等から、II型無水石膏を使用することが好ましい。
凝結促進材としては、チオ硫酸ナトリウム、乳酸カルシウム、炭酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸ナトリウムの中から選ばれる一種以上のものを使用する。これらのうち、速硬性セメントの低温での早期強度発現性等から、凝結促進材として、チオ硫酸ナトリウム又は乳酸カルシウムを使用することが好ましい。
凝結遅延剤としては、クエン酸及びその塩、ヘプトン酸及びその塩、コハク酸及びその塩、酒石酸及びその塩の中から選ばれる一種以上のものを使用する。これらのうち、速硬性セメントの低温での早期強度発現性や作業性等から、凝結遅延剤として、クエン酸及びその塩、ヘプトン酸及びその塩の中から選ばれる一種以上のものを使用することが好ましく、特に、クエン酸とヘプトン酸ナトリウムの混合物(混合比は、40〜60：60〜40(質量比)が好ましい)を使用することが好ましい。
本発明の速硬性セメントにおいては、C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物、無水石膏及び凝結促進材の混合物と凝結遅延剤を調製しておき、モルタルやコンクリートの混練時に前記混合物と凝結遅延剤をミキサーで混練することが好ましい。
C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物、無水石膏及び凝結促進材の混合物は、例えば、下記（ａ）〜（ｃ）の方法により得られる。
（ａ）C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー、ポルトランドセメントクリンカー、無水石膏及び凝結促進材をブレーン比表面積4000〜5000cm2/gになるまで同時粉砕する工程からなる方法。
（ｂ）C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー、ポルトランドセメントクリンカー、無水石膏の一部(無水石膏の50〜80質量％が好ましい)及び凝結促進材をブレーン比表面積4000〜5000cm2/gになるまで同時粉砕する工程と、該粉砕物に残りの無水石膏を添加する工程と、を含む方法。
（ｃ）C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカーをブレーン比表面積4000〜5000cm2/gになるまで粉砕する工程と、ポルトランドセメントクリンカーをブレーン比表面積3000〜5000cm2/gになるまで粉砕する工程と、前記クリンカー粉砕物と無水石膏と凝結促進材を混合する工程と、を含む方法。
これらのうち、（ａ）の方法は、ブレーン比表面積の異なる２種類の無水石膏を使用する必要がなく、速硬性セメント用混合物を容易に製造できる方法である。一方、（ｂ）の方法は、ブレーン比表面積の異なる２種類の無水石膏を使用する必要があるが、特に低温での早期強度発現性に優れる速硬性セメント用混合物を製造できる方法である。
C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物、無水石膏及び凝結促進材の混合物は、例えば、下記（ａ）〜（ｃ）の方法により得られる。
（ａ）C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー、ポルトランドセメントクリンカー、無水石膏及び凝結促進材をブレーン比表面積4000〜5000cm2/gになるまで同時粉砕する工程からなる方法。
（ｂ）C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー、ポルトランドセメントクリンカー、無水石膏の一部(無水石膏の50〜80質量％が好ましい)及び凝結促進材をブレーン比表面積4000〜5000cm2/gになるまで同時粉砕する工程と、該粉砕物に残りの無水石膏を添加する工程と、を含む方法。
（ｃ）C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカーをブレーン比表面積4000〜5000cm2/gになるまで粉砕する工程と、ポルトランドセメントクリンカーをブレーン比表面積3000〜5000cm2/gになるまで粉砕する工程と、前記クリンカー粉砕物と無水石膏と凝結促進材を混合する工程と、を含む方法。
これらのうち、（ａ）の方法は、ブレーン比表面積の異なる２種類の無水石膏を使用する必要がなく、速硬性セメント用混合物を容易に製造できる方法である。一方、（ｂ）の方法は、ブレーン比表面積の異なる２種類の無水石膏を使用する必要があるが、特に低温での早期強度発現性に優れる速硬性セメント用混合物を製造できる方法である。
上記（ａ）〜（ｃ）の方法においては、無水石膏は、ブレーン比表面積が3000〜10000cm2/g（より好ましくは3500〜8000cm2/g、特に好ましくは3700〜5000cm2/g）のものを使用することが好ましい。凝結促進材は、粒径が0.1μm〜10mm（より好ましくは1μm〜5mm、特に好ましくは3μm〜3mm）のものを使用することが好ましい。
また、C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物、無水石膏及び凝結促進材の混合物のブレーン比表面積は、速硬性セメントの早期強度発現性や作業性等から、4000〜5000cm2/gであることが好ましく、4500〜5000cm2/gであることがより好ましい。
なお、本発明において、凝結遅延剤は、粒径が0.1μm〜10mm（より好ましくは1μm〜5mm、特に好ましくは3μm〜3mm）のものを使用することが好ましい。
また、C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物、無水石膏及び凝結促進材の混合物のブレーン比表面積は、速硬性セメントの早期強度発現性や作業性等から、4000〜5000cm2/gであることが好ましく、4500〜5000cm2/gであることがより好ましい。
なお、本発明において、凝結遅延剤は、粒径が0.1μm〜10mm（より好ましくは1μm〜5mm、特に好ましくは3μm〜3mm）のものを使用することが好ましい。
本発明の速硬性セメントの構成材料の配合割合について説明する。
本発明の速硬性セメントにおいて、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物は、C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物100質量部に対して、80〜150質量部が好ましく、90〜140質量部がより好ましい。ポルトランドセメントクリンカー粉砕物の配合量がC3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物100質量部に対して80質量部未満では、速硬性セメントの作業性や長期強度発現性が低下する虞がある。ポルトランドセメントクリンカー粉砕物の配合量が150質量部を超えると、速硬性セメントの早期強度発現性が低下する虞がある。
無水石膏は、C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物100質量部に対して、20〜50質量部が好ましく、25〜45質量部がより好ましい。無水石膏の配合量がC3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物100質量部に対して20質量部未満では、速硬性セメントの長期強度発現性が低下する虞がある。無水石膏の配合量が50質量部を超えると、速硬性セメントの長期強度発現性や耐久性が低下する虞がある。
本発明の速硬性セメントにおいて、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物は、C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物100質量部に対して、80〜150質量部が好ましく、90〜140質量部がより好ましい。ポルトランドセメントクリンカー粉砕物の配合量がC3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物100質量部に対して80質量部未満では、速硬性セメントの作業性や長期強度発現性が低下する虞がある。ポルトランドセメントクリンカー粉砕物の配合量が150質量部を超えると、速硬性セメントの早期強度発現性が低下する虞がある。
無水石膏は、C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物100質量部に対して、20〜50質量部が好ましく、25〜45質量部がより好ましい。無水石膏の配合量がC3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物100質量部に対して20質量部未満では、速硬性セメントの長期強度発現性が低下する虞がある。無水石膏の配合量が50質量部を超えると、速硬性セメントの長期強度発現性や耐久性が低下する虞がある。
凝結促進材の配合量は、C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物及び無水石膏の合計量100質量部に対して、0.5〜5質量部が好ましく、1〜4質量部がより好ましい。凝結促進材の配合量が、C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物及び無水石膏の合計量100質量部に対して0.5質量部未満では、速硬性セメントの早期強度発現性が低下する。凝結促進材の配合量が5質量部を超えると、速硬性セメントの作業性や長期強度発現性が低下する虞がある。
凝結遅延剤の配合量は、C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物及び無水石膏の合計量100質量部に対して、0.1〜0.5質量部が好ましく、0.15〜0.3質量部がより好ましい。凝結遅延剤の配合量が、C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物及び無水石膏の合計量100質量部に対して0.1質量部未満では、速硬性セメントの作業性が低下する。凝結促進材の配合量が0.5質量部を超えると、速硬性セメントの強度発現性が低下する虞がある。
凝結遅延剤の配合量は、C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物及び無水石膏の合計量100質量部に対して、0.1〜0.5質量部が好ましく、0.15〜0.3質量部がより好ましい。凝結遅延剤の配合量が、C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物及び無水石膏の合計量100質量部に対して0.1質量部未満では、速硬性セメントの作業性が低下する。凝結促進材の配合量が0.5質量部を超えると、速硬性セメントの強度発現性が低下する虞がある。
なお、本発明の速硬性セメントにおいては、作業性や強度発現性等から、SO3/Al2O3モル比が1.0〜1.4であることが好ましく、1.05〜1.3であることがより好ましい。
以下、実施例により本発明を説明する。なお、下記実施例１において、凝結促進材として硫酸カリウム、硫酸ナトリウム又は炭酸リチウムを用いたものは参考例である。
実施例１
１．速硬性セメントの材料
以下の材料を使用した。
・C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー：C3A3・CaSO4を60質量％含むクリンカー（太平洋セメント(株)製、その他の鉱物として、C2S、C4AF及び無水石膏を含む）を使用した。
・ポルトランドセメントクリンカー：普通ポルトランドセメントクリンカー（太平洋セメント(株)製）を使用した。
・無水石膏：II型無水石膏（ブレーン比表面積4000cm2/g）を使用した。
・凝結促進材：(1)チオ硫酸ナトリウム(試薬特級)
(2)乳酸カルシウム(試薬特級)
(3)硫酸カリウム(試薬特級)
(4)硫酸ナトリウム(試薬特級)
(5)炭酸リチウム(試薬特級)を使用した。
・凝結遅延剤：クエン酸(試薬特級)とヘプトン酸ナトリウム(試薬特級)の混合物(混合比 は50：50(質量比))を使用した。
実施例１
１．速硬性セメントの材料
以下の材料を使用した。
・C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー：C3A3・CaSO4を60質量％含むクリンカー（太平洋セメント(株)製、その他の鉱物として、C2S、C4AF及び無水石膏を含む）を使用した。
・ポルトランドセメントクリンカー：普通ポルトランドセメントクリンカー（太平洋セメント(株)製）を使用した。
・無水石膏：II型無水石膏（ブレーン比表面積4000cm2/g）を使用した。
・凝結促進材：(1)チオ硫酸ナトリウム(試薬特級)
(2)乳酸カルシウム(試薬特級)
(3)硫酸カリウム(試薬特級)
(4)硫酸ナトリウム(試薬特級)
(5)炭酸リチウム(試薬特級)を使用した。
・凝結遅延剤：クエン酸(試薬特級)とヘプトン酸ナトリウム(試薬特級)の混合物(混合比 は50：50(質量比))を使用した。
２．速硬性セメントの評価（その１）
C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー38.5質量部、普通ポルトランドセメントクリンカー48.3質量部、無水石膏9.7質量部及び表１に示す種類と量の凝結促進材を混合粉砕（ブレーン比表面積4800cm2/g）し、次いで無水石膏3.5質量部添加したSO3/Al2O3が1.16（モル比）の速硬性セメント用混合物を調製した。
次に、上記速硬性セメント用混合物：標準砂（「JIS R 5201 セメントの物理試験方法(1997)」に規定されるもの）：水道水＝１：３：0.5（質量比）で、これに凝結遅延剤を0.2質量部（C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物、普通ポルトランドセメントクリンカー粉砕物及び無水石膏の合計量100質量部に対して）配合したものを、「JIS R 5201 セメントの物理試験方法(1997)」に準じて混練し、「JIS R 5201 セメントの物理試験方法(1997)」に準じて圧縮強さを測定した。なお、養生温度は、５℃及び20℃とした。
結果を表１に示す。
C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー38.5質量部、普通ポルトランドセメントクリンカー48.3質量部、無水石膏9.7質量部及び表１に示す種類と量の凝結促進材を混合粉砕（ブレーン比表面積4800cm2/g）し、次いで無水石膏3.5質量部添加したSO3/Al2O3が1.16（モル比）の速硬性セメント用混合物を調製した。
次に、上記速硬性セメント用混合物：標準砂（「JIS R 5201 セメントの物理試験方法(1997)」に規定されるもの）：水道水＝１：３：0.5（質量比）で、これに凝結遅延剤を0.2質量部（C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物、普通ポルトランドセメントクリンカー粉砕物及び無水石膏の合計量100質量部に対して）配合したものを、「JIS R 5201 セメントの物理試験方法(1997)」に準じて混練し、「JIS R 5201 セメントの物理試験方法(1997)」に準じて圧縮強さを測定した。なお、養生温度は、５℃及び20℃とした。
結果を表１に示す。
表１より、本発明の速硬性セメントでは、凝結促進材として炭酸リチウムを使用した場合に比べて、低温での早期強度発現性が良好であることがわかる。
３．速硬性セメントの評価（その２）
C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー38.5質量部、普通ポルトランドセメントクリンカー48.3質量部、無水石膏13.2質量部及び表２に示す種類と量の凝結促進材を混合粉砕（ブレーン比表面積4800cm2/g）して、SO3/Al2O3が1.16（モル比）の速硬性セメント用混合物を調製した。
次に、上記速硬性セメント用混合物：標準砂（「JIS R 5201 セメントの物理試験方法(1997)」に規定されるもの）：水道水＝１：３：0.5（質量比）で、これに凝結遅延剤を0.2質量部（C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物、普通ポルトランドセメントクリンカー粉砕物及び無水石膏の合計量100質量部に対して）配合したものを、「JIS R 5201 セメントの物理試験方法(1997)」に準じて混練し、「JIS R 5201 セメントの物理試験方法(1997)」に準じて圧縮強さを測定した。なお、養生温度は５℃とした。
結果を表２に示す。
C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー38.5質量部、普通ポルトランドセメントクリンカー48.3質量部、無水石膏13.2質量部及び表２に示す種類と量の凝結促進材を混合粉砕（ブレーン比表面積4800cm2/g）して、SO3/Al2O3が1.16（モル比）の速硬性セメント用混合物を調製した。
次に、上記速硬性セメント用混合物：標準砂（「JIS R 5201 セメントの物理試験方法(1997)」に規定されるもの）：水道水＝１：３：0.5（質量比）で、これに凝結遅延剤を0.2質量部（C3A3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物、普通ポルトランドセメントクリンカー粉砕物及び無水石膏の合計量100質量部に対して）配合したものを、「JIS R 5201 セメントの物理試験方法(1997)」に準じて混練し、「JIS R 5201 セメントの物理試験方法(1997)」に準じて圧縮強さを測定した。なお、養生温度は５℃とした。
結果を表２に示す。
表２より、本発明の速硬性セメントでは、ブレーン比表面積の異なる２種類の無水石膏を使用しなくても、低温での早期強度発現性が良好であることがわかる。
Claims (2)
- 3CaO・3Al2O3・CaSO4を主成分とするクリンカー粉砕物、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物、無水石膏、凝結促進材及び凝結遅延剤を含む速硬性セメントであって、
前記凝結促進材が、チオ硫酸ナトリウム又は乳酸カルシウムであり、
前記凝結遅延剤が、クエン酸及びその塩、ヘプトン酸及びその塩、コハク酸及びその塩、酒石酸及びその塩の中から選ばれる一種以上の凝結遅延剤
であることを特徴とする速硬性セメント。 - 凝結遅延剤が、クエン酸及びその塩、ヘプトン酸及びその塩の中から選ばれる一種以上の凝結遅延剤である請求項１記載の速硬性セメント。
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