JP5425697B2 - 水硬性組成物 - Google Patents
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Description
本発明は、製造時の環境負荷を小さくすることができ、かつ、普通ポルトランドセメントや高炉セメント等の慣用のセメントと同等の流動特性および硬化特性を有する水硬性組成物に関するものである。
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立が緊急課題になっている。この課題に対処するために、都市ゴミ焼却灰等を原料としてセメントクリンカーを製造する方法が提案されている（特許文献１）。
また、近年の地球環境問題の深刻化に伴い、セメントの製造の際の炭酸ガスの抑制も大きな課題となってきている。
また、近年の地球環境問題の深刻化に伴い、セメントの製造の際の炭酸ガスの抑制も大きな課題となってきている。
しかし、上記特許文献１に記載されたセメントクリンカーでは、水和反応性が高い3CaO・Al2O3を10質量％以上含むため、該セメントクリンカーを使用したセメントは、普通ポルトランドセメントと比べて流動性が低下することに加え、流動性の経時変化も大きくなり、強度発現性もやや劣るという課題があった。
また、上記特許文献１に記載されたセメントクリンカーは、ポルトランドセメントクリンカーよりも低温(1400℃程度)で焼成可能であり、燃料原単位の低減により製造の際の炭酸ガスの発生量を抑制することは可能ではあるが、近年の地球環境問題の深刻化に伴い、製造の際により炭酸ガス発生量を抑制できる水硬性組成物が求められている。
また、上記特許文献１に記載されたセメントクリンカーは、ポルトランドセメントクリンカーよりも低温(1400℃程度)で焼成可能であり、燃料原単位の低減により製造の際の炭酸ガスの発生量を抑制することは可能ではあるが、近年の地球環境問題の深刻化に伴い、製造の際により炭酸ガス発生量を抑制できる水硬性組成物が求められている。
そこで、本発明においては、製造時の環境負荷を小さくすることができ、かつ、普通ポルトランドセメントや高炉セメント等の慣用のセメントと同等の流動特性および硬化特性を有する水硬性組成物を提供することを目的とする。
本発明者らは、斯かる実情に鑑み、鋭意検討した結果、特定量のNiOを含有するセメントクリンカーの粉砕物と、石膏とを組み合わせることにより、製造時の環境負荷を小さくすることができるうえ、普通ポルトランドセメント等の慣用のセメントと同等の流動特性および硬化特性が得られることを見いだし、本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明は、NiO含有量が0.3〜1.2質量％であるセメントクリンカーの粉砕物と、石膏を含むことを特徴とする水硬性組成物（請求項１）を提供するものである。そして、前記セメントクリンカー中のSO3含有量は、0.5〜1.5質量％であることが好ましいものである。
すなわち、本発明は、NiO含有量が0.3〜1.2質量％であるセメントクリンカーの粉砕物と、石膏を含むことを特徴とする水硬性組成物（請求項１）を提供するものである。そして、前記セメントクリンカー中のSO3含有量は、0.5〜1.5質量％であることが好ましいものである。
本発明の水硬性組成物の製造に使用するセメントクリンカーは、ポルトランドセメントクリンカーよりも低温で焼成することができるので、燃料原単位の低減により炭酸ガスの発生量を抑制することも可能である。また、該セメントクリンカーは、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うえ、原料としての石灰石の使用量を低減できるので、製造の際の炭酸ガスの発生量を抑制することが可能である。このように、本発明の水硬性組成物は、製造時の環境負荷を小さくすることができる。
また、本発明の水硬性組成物は、普通ポルトランドセメントや高炉セメント等の慣用のセメントと同等の流動特性および硬化特性を有するものである。
また、本発明の水硬性組成物は、普通ポルトランドセメントや高炉セメント等の慣用のセメントと同等の流動特性および硬化特性を有するものである。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明で使用するセメントクリンカーは、NiO含有量が0.3〜1.2質量％であり、好ましくは0.4〜1.1質量％で、特に好ましくは0.5〜1.05質量％である。NiO含有量が0.3質量％未満では、焼成温度を低下させることが困難となり、焼成温度を低下させることで製造時の環境負荷を小さくするという本願発明の効果が低減する。一方、NiO含有量が1.2質量％を越えると、流動性の低下等が生じることがあり、セメントの品質に悪影響を及ぼす惧れがある。
本発明で使用するセメントクリンカーは、NiO含有量が0.3〜1.2質量％であり、好ましくは0.4〜1.1質量％で、特に好ましくは0.5〜1.05質量％である。NiO含有量が0.3質量％未満では、焼成温度を低下させることが困難となり、焼成温度を低下させることで製造時の環境負荷を小さくするという本願発明の効果が低減する。一方、NiO含有量が1.2質量％を越えると、流動性の低下等が生じることがあり、セメントの品質に悪影響を及ぼす惧れがある。
本発明で使用するセメントクリンカーにおいては、SO3含有量は0.5〜1.5質量％であることが好ましく、0.55〜1.45質量％であることがより好ましく、0.6〜1.4質量％であることが特に好ましい。セメントクリンカー中のSO3含有量を0.5質量％以上とすることにより、焼成温度をより低下させることができる。一方、SO3含有量が1.5質量％を越えると、プレヒータサイクロンが閉塞してキルンの安定運転が損なわれる惧れがあるうえ、初期強度の低下等セメントの品質に悪影響を及ぼす惧れもある。
なお、本発明において、セメントクリンカー中のNiO、SO3含有量は、「JIS R 5202(ポルトランドセメントの化学分析方法)」により測定することができる。
なお、本発明において、セメントクリンカー中のNiO、SO3含有量は、「JIS R 5202(ポルトランドセメントの化学分析方法)」により測定することができる。
本発明で使用するセメントクリンカーは、産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる１種以上を原料として使用することができる。産業廃棄物としては、例えば、高炉スラグ；石炭灰；生コンスラッジ、下水汚泥、浄水汚泥、建設汚泥、製鉄汚泥等の各種汚泥；廃石膏ボート等の石膏廃材；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、建設廃材、コンクリート廃材などが挙げられ；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。これらの廃棄物等を原料として使用することにより、原料としての石灰石の使用量を低減でき、製造の際の炭酸ガスの発生量を抑制することができる。
なお、本発明で使用するセメントクリンカーは、一般のポルトランドセメントクリンカー原料、例えば、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原料も使用することができる。
なお、本発明で使用するセメントクリンカーは、一般のポルトランドセメントクリンカー原料、例えば、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原料も使用することができる。
上記原料を使用して、NiOとSO3の含有量を上記特定量に調整できない場合には、NiO原料として、廃触媒、フェロニッケル等を使用することができ、SO3原料としては、石膏、廃石膏ボード、ペトコークス、廃硫酸、硫黄（石油回収硫黄等）等を使用することができる。
本発明のセメントクリンカーの具体例としては、各種ポルトランドセメントクリンカーの他、水硬率(H.M.)を1.8〜2.3、ケイ酸率(S.M.)を1.0〜3.0、鉄率(H.M.)を1.3〜2.8に調製したセメントクリンカー等が挙げられる。特に、廃棄物の有効利用を促進する観点や普通ポルトランドセメントや高炉セメント等の慣用のセメントと同等の特性を有する水硬性組成物を得るという本願発明の目的から、普通ポルトランドセメントクリンカーであることが好ましい。
本発明のセメントクリンカーは、上記原料を、目的とするセメントクリンカーが得られるような組成で混合した後、ロータリーキルンや電気炉等を用いて焼成し、冷却することにより製造することができる。
各原料を混合する方法は特に制限されず、慣用の装置等を用いて行うことができる。
ロータリーキルンを用いて焼成する場合、燃料は、主燃料である石炭の他、燃料代替廃棄物、例えば廃油、廃タイヤ、廃プラスチック、木屑、ゴミ固形化燃料等を使用することができる。
セメントクリンカーの焼成温度は、1250〜1410℃が好ましく、1300〜1400℃がより好ましく、1320〜1380℃が特に好ましい。焼成温度が1250℃未満では、十分な焼成を行うことが困難となる。一方、焼成温度が1410℃を越えると、焼成温度を低下させることで製造時の環境負荷を小さくするという本願発明の効果が低減する。
焼成時間は、30〜120分間が好ましく、40〜60分間がより好ましい。
セメントクリンカーを冷却する方法は特に制限されず、慣用の装置等を用いて行うことができる。
ロータリーキルンを用いて焼成する場合、燃料は、主燃料である石炭の他、燃料代替廃棄物、例えば廃油、廃タイヤ、廃プラスチック、木屑、ゴミ固形化燃料等を使用することができる。
セメントクリンカーの焼成温度は、1250〜1410℃が好ましく、1300〜1400℃がより好ましく、1320〜1380℃が特に好ましい。焼成温度が1250℃未満では、十分な焼成を行うことが困難となる。一方、焼成温度が1410℃を越えると、焼成温度を低下させることで製造時の環境負荷を小さくするという本願発明の効果が低減する。
焼成時間は、30〜120分間が好ましく、40〜60分間がより好ましい。
セメントクリンカーを冷却する方法は特に制限されず、慣用の装置等を用いて行うことができる。
本発明の水硬性組成物は上記セメントクリンカーの粉砕物と、石膏を含むものである。石膏としては、２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。
石膏としては、水和熱や、流動性、強度発現性や耐久性等の観点から、ブレーン比表面積2500〜6000cm2/gのものを使用するのが好ましく、3000〜5000cm2/gのものを使用するのがより好ましい。
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。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、また凝結時間が極端に短くなる、流動性が低下する、硬化体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、40〜90質量％が好ましい。
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。
石膏としては、水和熱や、流動性、強度発現性や耐久性等の観点から、ブレーン比表面積2500〜6000cm2/gのものを使用するのが好ましく、3000〜5000cm2/gのものを使用するのがより好ましい。
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。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、また凝結時間が極端に短くなる、流動性が低下する、硬化体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、40〜90質量％が好ましい。
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。
本発明の水硬性組成物は、上記セメントクリンカーの粉砕物と石膏に加えて、塩素含有物を含むことができる。塩素含有物を含むことにより、初期強度発現性の向上等を図ることができる。
塩素含有物としては、塩素を0.5質量％以上含有するものが好ましい。具体的な塩素含有物としては、塩化カルシウムや塩化カリウム等の塩化物、JIS R 5214に規定される速硬エコセメントや速硬エコセメントクリンカーの粉砕物、塩素バイパスダストや塩素バイパスダストの水洗物等が挙げられる。本発明においては、廃棄物の有効利用の促進や初期強度発現性等の観点から、塩素含有物として、速硬エコセメントや速硬エコセメントクリンカーの粉砕物、塩素バイパスダストや塩素バイパスダストの水洗物を使用することが好ましく、特に塩素バイパスダストや塩素バイパスダストの水洗物を使用することが好ましい。
これらの塩素含有物のブレーン比表面積は、流動性や強度発現性等から、2000〜10000cm2/gであることが好ましく、2500〜7000cm2/gであることがより好ましい。
塩素含有物の添加量は、水硬性組成物中の塩素量が350mg/kg以下、好ましくは50〜330mg/kg、より好ましくは100〜300mg/kgとなる量とすることが好ましい。水硬性組成物中の塩素量が350mg/kgを越えると、流動性が低下する。また、鉄筋コンクリートに使用した場合、鉄筋が発錆する可能性が高くなるので好ましくない。なお、水硬性組成物中の塩素量が少なくなると、初期強度発現性が低下することがあるので、水硬性組成物中の塩素量が50mg/kg以上であることが好ましい。
塩素含有物としては、塩素を0.5質量％以上含有するものが好ましい。具体的な塩素含有物としては、塩化カルシウムや塩化カリウム等の塩化物、JIS R 5214に規定される速硬エコセメントや速硬エコセメントクリンカーの粉砕物、塩素バイパスダストや塩素バイパスダストの水洗物等が挙げられる。本発明においては、廃棄物の有効利用の促進や初期強度発現性等の観点から、塩素含有物として、速硬エコセメントや速硬エコセメントクリンカーの粉砕物、塩素バイパスダストや塩素バイパスダストの水洗物を使用することが好ましく、特に塩素バイパスダストや塩素バイパスダストの水洗物を使用することが好ましい。
これらの塩素含有物のブレーン比表面積は、流動性や強度発現性等から、2000〜10000cm2/gであることが好ましく、2500〜7000cm2/gであることがより好ましい。
塩素含有物の添加量は、水硬性組成物中の塩素量が350mg/kg以下、好ましくは50〜330mg/kg、より好ましくは100〜300mg/kgとなる量とすることが好ましい。水硬性組成物中の塩素量が350mg/kgを越えると、流動性が低下する。また、鉄筋コンクリートに使用した場合、鉄筋が発錆する可能性が高くなるので好ましくない。なお、水硬性組成物中の塩素量が少なくなると、初期強度発現性が低下することがあるので、水硬性組成物中の塩素量が50mg/kg以上であることが好ましい。
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、石灰石粉末及び珪石粉末から選ばれる１種以上の無機粉末を含有することができる。これらの無機粉末を含有することにより、水和熱の低減や流動性の向上、耐久性の向上等を図ることができる。
水硬性組成物中の無機粉末量は、
(1)高炉スラグ粉末であれば、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、60質量％以下であることが好ましく、20〜55質量％であることがより好ましく、30〜50質量％であることが特に好ましい。
(2)フライアッシュ、石灰石粉末や珪石粉末であれば、30質量％以下であることが好ましく、2〜25質量％であることがより好ましく、3〜20質量％であることが特に好ましい。 なお、無機粉末としては、水和熱や、流動性、強度発現性や耐久性等の観点から、ブレーン比表面積2500〜6000cm2/gのものを使用するのが好ましく、3000〜5000cm2/gのものを使用するのがより好ましい。
水硬性組成物中の無機粉末量は、
(1)高炉スラグ粉末であれば、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、60質量％以下であることが好ましく、20〜55質量％であることがより好ましく、30〜50質量％であることが特に好ましい。
(2)フライアッシュ、石灰石粉末や珪石粉末であれば、30質量％以下であることが好ましく、2〜25質量％であることがより好ましく、3〜20質量％であることが特に好ましい。 なお、無機粉末としては、水和熱や、流動性、強度発現性や耐久性等の観点から、ブレーン比表面積2500〜6000cm2/gのものを使用するのが好ましく、3000〜5000cm2/gのものを使用するのがより好ましい。
本発明の水硬性組成物は、2CaO・SiO2(以降、C2Sと称す)及び2CaO・Al2O3・SiO2(以降、C2ASと称す)を必須成分とし、C2S100質量部に対して、C2AS＋4CaO・Al2O3・Fe2O3(以降、C4AFと称す)を10〜100質量部含有し、かつ、3CaO・Al2O3(以降、C3Aと称す)の含有量が20質量部以下である焼成物の粉砕物を含有することができる。このような焼成物の粉砕物を含有することにより、水和熱の低減や流動性の向上等を図ることができる。また、このような焼成物は、産業廃棄物等を原料とするものであるので、廃棄物の有効利用を促進することができる。
上記焼成物は、C2S及びC2ASを必須成分とするもので、C2S100質量部に対して、C2ASを10〜100質量部、好ましくは20〜90質量部含有するものである。C2AS含有量が10質量部未満では、流動性が低下する。また、焼成時に焼成温度を上げてもフリーライム量が低下しにくく、焼成が困難になり、また、生成するC2Sも水和活性のないγ型C2Sである可能性が高くなり、強度発現性を大きく低下させることがある。一方、C2AS含有量が100質量部を超えると、強度発現性が低下することがある。
上記焼成物は、C2S及びC2ASを必須成分とするもので、C2S100質量部に対して、C2ASを10〜100質量部、好ましくは20〜90質量部含有するものである。C2AS含有量が10質量部未満では、流動性が低下する。また、焼成時に焼成温度を上げてもフリーライム量が低下しにくく、焼成が困難になり、また、生成するC2Sも水和活性のないγ型C2Sである可能性が高くなり、強度発現性を大きく低下させることがある。一方、C2AS含有量が100質量部を超えると、強度発現性が低下することがある。
また、焼成物は、C2S100質量部に対するC3Aの含有量が20質量部以下、好ましくは10質量部以下のものである。C3Aの含有量が20質量部を超えると、水和熱が大きくなり、流動性も悪くなる。
さらに、焼成物は、P2O5を0.2〜8.0質量％（より好ましくは0.5〜6.0質量％）、アルカリ（Na2O+K2O）を0.4〜4.0質量％（より好ましくは0.5〜3.5質量％）含有することが好ましい。P2O5やアルカリをこの範囲で含有する場合、C2Sを活性化させるため、C3Aなどのカルシウムアルミネートがない場合でも、強度発現性が良好になる。そして、カルシウムアルミネートが少なくなるほど、流動性も良好でかつ水和熱も低くなる。
なお、焼成物中のフリーライム量は、水和熱や流動性、強度発現性等から、1.5質量％以下、特に1.0質量％以下であるのが好ましい。
なお、焼成物中のフリーライム量は、水和熱や流動性、強度発現性等から、1.5質量％以下、特に1.0質量％以下であるのが好ましい。
このような焼成物は、産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる１種以上を原料とし、これを焼成することにより製造することができる。
また、一般のポルトランドセメントクリンカー原料、例えば、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原料も使用することができる。
また、一般のポルトランドセメントクリンカー原料、例えば、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原料も使用することができる。
なお、焼成物の原料組成によっては、特に、前記産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる１種以上を原料として用いた場合、C4AFが生成することがあるが、本発明においては、焼成物のC2ASの一部、好ましくはC2AS質量の70質量％以下がC4AFで置換されても良い。C4AFがこの範囲を超えて置換されると、焼成の温度範囲が狭くなり、製造の管理が難しくなる。
焼成物の鉱物組成は、使用原料中のCaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3の各含有量（質量％）から、次式により求めることができる。
C4AF＝3.04×Fe2O3
C3A ＝1.61×CaO−3.00×SiO2−2.26×Fe2O3
C2AS＝−1.63×CaO＋3.04×SiO2＋2.69×Al2O3＋0.57×Fe2O3
C2S ＝1.02×CaO＋0.95×SiO2−1.69×Al2O3−0.36×Fe2O3
C4AF＝3.04×Fe2O3
C3A ＝1.61×CaO−3.00×SiO2−2.26×Fe2O3
C2AS＝−1.63×CaO＋3.04×SiO2＋2.69×Al2O3＋0.57×Fe2O3
C2S ＝1.02×CaO＋0.95×SiO2−1.69×Al2O3−0.36×Fe2O3
焼成物の焼成温度は、1000〜1350℃、特に1200〜1330℃であるのが、焼成工程の熔融相の状態が良好であるので好ましい。
用いる装置は特に限定されず、例えばロータリーキルン等を用いることができる。また、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。
このような焼成により、C2ASが生成し、上記組成の焼成物を得ることができる。
用いる装置は特に限定されず、例えばロータリーキルン等を用いることができる。また、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。
このような焼成により、C2ASが生成し、上記組成の焼成物を得ることができる。
焼成物の粉砕物の配合量は、水和熱や、流動性、耐久性や強度発現性等の観点から、水硬性組成物中の20質量％以下、特に1〜15質量％であることが好ましい。
焼成物の粉砕物は、ブレーン比表面積が2500〜5000cm2/gであるのが、水和熱や、流動性、強度発現性等の観点から好ましい。なお、粉砕方法は特に制限されず、例えばボールミル等を用い、通常の方法で粉砕することができる。
焼成物の粉砕物は、ブレーン比表面積が2500〜5000cm2/gであるのが、水和熱や、流動性、強度発現性等の観点から好ましい。なお、粉砕方法は特に制限されず、例えばボールミル等を用い、通常の方法で粉砕することができる。
なお、本発明において、水硬性組成物中の石膏量は、流動性や強度発現性等から、SO3換算で1〜5質量％であることが好ましく、1.5〜3.5質量％であることがより好ましい。
本発明の水硬性組成物の製造方法は特に制限されず、例えば、セメントクリンカーの粉砕物と石膏からなる水硬性組成物の製造においては、セメントクリンカーと石膏を同時粉砕しても良いし、セメントクリンカー粉砕物と石膏を混合しても良い。塩素含有物、高炉スラグ粉末等の無機粉末や焼成物の粉砕物を含む水硬性組成物では、塩素含有物粉末、高炉スラグ粉末等の無機粉末や焼成物の粉砕物をセメントクリンカー粉砕物等に混合しても良いし、セメントクリンカーと石膏と高炉スラグ粉末等の無機粉末や焼成物を同時粉砕しても良い。
なお、本発明において、得られる水硬性組成物は、モルタルやコンクリートのブリーディングの低減や、流動性、強度発現性の観点から、ブレーン比表面積が2500〜4500cm2/gであることが好ましく、3000〜3500cm2/gであることがより好ましい。
なお、本発明において、得られる水硬性組成物は、モルタルやコンクリートのブリーディングの低減や、流動性、強度発現性の観点から、ブレーン比表面積が2500〜4500cm2/gであることが好ましく、3000〜3500cm2/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。
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、水中養生、蒸気養生等を行えば良い。
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、水中養生、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．実施例１
（１）セメントクリンカーの製造：
原料として、下水汚泥、石炭灰、建設発生土、廃石膏ボードの廃棄物原料と、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と、試薬を使用して、以下のセメントクリンカーを電気炉を用いて製造した。なお、No.4のクリンカーが普通ポルトランドセメントクリンカーに相当する。
(1)クリンカー(No.1)；NiO量:0.5質量％、SO3量:0.45質量％、
焼成温度:１４０６℃
(2)クリンカー(No.2)；NiO量:1.0質量％、SO3量:0.45質量％、
焼成温度:１３９５℃
(3)クリンカー(No.3)；NiO量:1.0質量％、SO3量:1.0質量％、
焼成温度:１３７６℃
(4)クリンカー(No.4)；NiO量:0.007質量％、SO3量:0.45質量％、
焼成温度:１４７０℃
１．実施例１
（１）セメントクリンカーの製造：
原料として、下水汚泥、石炭灰、建設発生土、廃石膏ボードの廃棄物原料と、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と、試薬を使用して、以下のセメントクリンカーを電気炉を用いて製造した。なお、No.4のクリンカーが普通ポルトランドセメントクリンカーに相当する。
(1)クリンカー(No.1)；NiO量:0.5質量％、SO3量:0.45質量％、
焼成温度:１４０６℃
(2)クリンカー(No.2)；NiO量:1.0質量％、SO3量:0.45質量％、
焼成温度:１３９５℃
(3)クリンカー(No.3)；NiO量:1.0質量％、SO3量:1.0質量％、
焼成温度:１３７６℃
(4)クリンカー(No.4)；NiO量:0.007質量％、SO3量:0.45質量％、
焼成温度:１４７０℃
上記No.1〜4のクリンカーの鉱物組成(ボーグ式より算出)は、いずれもＣ3Ｓ:58質量％、Ｃ2Ｓ:21質量％、Ｃ3Ａ:9質量％、Ｃ4ＡＦ:9質量％である。
また、上記No.1〜4のクリンカーの遊離石灰量(「JIS R 5202(ポルトランドセメントの化学分析方法)」により測定)は、いずれも1.0質量％であった。
なお、上記No.1〜4のクリンカーの製造においては、廃棄物原料をクリンカー1ton当たり300kg使用した。
また、上記No.1〜4のクリンカーの遊離石灰量(「JIS R 5202(ポルトランドセメントの化学分析方法)」により測定)は、いずれも1.0質量％であった。
なお、上記No.1〜4のクリンカーの製造においては、廃棄物原料をクリンカー1ton当たり300kg使用した。
上記の通り、本発明で使用するセメントクリンカーは、廃棄物を原料として大量に使用できることが分かる。また、本発明で使用するセメントクリンカーは、低温で製造できることも分かる。このように、本発明で使用するセメントクリンカーは、製造時の環境負荷を小さくすることができる。
（２）水硬性組成物の製造
上記セメントクリンカーNo.2又はNo.3に、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添加し、バッチ式ボールミルでブレーン比表面積が3250±30cm2/gとなるように同時粉砕して、水硬性組成物を製造した。
なお、該水硬性組成物中のニ水石膏量(SO3換算)は0.8質量％であり、半水石膏量(SO3換算)は0.8質量％である。
上記セメントクリンカーNo.2又はNo.3に、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添加し、バッチ式ボールミルでブレーン比表面積が3250±30cm2/gとなるように同時粉砕して、水硬性組成物を製造した。
なお、該水硬性組成物中のニ水石膏量(SO3換算)は0.8質量％であり、半水石膏量(SO3換算)は0.8質量％である。
（３）評価
上記水硬性組成物について、以下の方法でフロー値と圧縮強度を測定した。
(A)フロー値
上記水硬性組成物および細骨材（JIS R 5201に定める標準砂）、水およびポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤(ＢＡＳＦポゾリス社製「レオビルドSP8N」)を使用して、モルタルを調製し、混練直後のモルタルフロー値を測定した。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。混練は7分間行い、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、フロー値とした。
(B)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。
上記水硬性組成物について、以下の方法でフロー値と圧縮強度を測定した。
(A)フロー値
上記水硬性組成物および細骨材（JIS R 5201に定める標準砂）、水およびポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤(ＢＡＳＦポゾリス社製「レオビルドSP8N」)を使用して、モルタルを調製し、混練直後のモルタルフロー値を測定した。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。混練は7分間行い、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、フロー値とした。
(B)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。
結果を以下に示す。
(1)クリンカー(No.2)；フロー値は254(mm)、３日の圧縮強度は31.0(N/mm2)、７日の圧縮強度は45.7(N/mm2)、28日の圧縮強度は60.5(N/mm2)であった。
(2)クリンカー(No.3)；フロー値は256(mm)、３日の圧縮強度は31.6(N/mm2)、７日の圧縮強度は46.3(N/mm2)、28日の圧縮強度は61.1(N/mm2)であった。
(1)クリンカー(No.2)；フロー値は254(mm)、３日の圧縮強度は31.0(N/mm2)、７日の圧縮強度は45.7(N/mm2)、28日の圧縮強度は60.5(N/mm2)であった。
(2)クリンカー(No.3)；フロー値は256(mm)、３日の圧縮強度は31.6(N/mm2)、７日の圧縮強度は46.3(N/mm2)、28日の圧縮強度は61.1(N/mm2)であった。
２．比較例１
市販普通ポルトランドセメント（C3S;59質量％、C2S;21質量％、C3A含有量;9質量％、C4AF;9質量％、f-CaO;0.5質量％、NiO量;0.0075質量％、クリンカー中のSO3量;0.48質量％、ニ水石膏量(SO3換算)は0.8質量％であり、半水石膏量(SO3換算)は0.9質量％）について、フロー値と圧縮強度を実施例１と同様にして測定した。
その結果、フロー値は261(mm)で、３日の圧縮強度は30.8(N/mm2)、７日の圧縮強度は46.1(N/mm2)、28日の圧縮強度は61.0(N/mm2)であった。
市販普通ポルトランドセメント（C3S;59質量％、C2S;21質量％、C3A含有量;9質量％、C4AF;9質量％、f-CaO;0.5質量％、NiO量;0.0075質量％、クリンカー中のSO3量;0.48質量％、ニ水石膏量(SO3換算)は0.8質量％であり、半水石膏量(SO3換算)は0.9質量％）について、フロー値と圧縮強度を実施例１と同様にして測定した。
その結果、フロー値は261(mm)で、３日の圧縮強度は30.8(N/mm2)、７日の圧縮強度は46.1(N/mm2)、28日の圧縮強度は61.0(N/mm2)であった。
上記のように、本発明の水硬性組成物は、普通ポルトランドセメントと同等の流動特性および硬化特性を有することが分かる。
３．実施例２
実施例１で製造した水硬性組成物(クリンカーNo.3を使用したもの)に、塩素バイパスダスト(塩素含有量20質量％、ブレーン比表面積2500cm2/g)を混合して、水硬性組成物を製造した。
なお、該水硬性組成物中の塩素バイパスダスト量は0.1質量％であり、塩素量は270mg/kgである。
該水硬性組成物について、フロー値と圧縮強度を実施例１と同様にして測定した。
その結果、フロー値は255(mm)で、３日の圧縮強度は32.0(N/mm2)、７日の圧縮強度は46.8(N/mm2)、28日の圧縮強度は61.6(N/mm2)であった。
実施例１で製造した水硬性組成物(クリンカーNo.3を使用したもの)に、塩素バイパスダスト(塩素含有量20質量％、ブレーン比表面積2500cm2/g)を混合して、水硬性組成物を製造した。
なお、該水硬性組成物中の塩素バイパスダスト量は0.1質量％であり、塩素量は270mg/kgである。
該水硬性組成物について、フロー値と圧縮強度を実施例１と同様にして測定した。
その結果、フロー値は255(mm)で、３日の圧縮強度は32.0(N/mm2)、７日の圧縮強度は46.8(N/mm2)、28日の圧縮強度は61.6(N/mm2)であった。
４．実施例３
実施例１で製造した水硬性組成物(クリンカーNo.2を使用したもの)に、高炉スラグ粉末(ブレーン比表面積4000cm2/g)と、二水石膏及び半水石膏を混合して、水硬性組成物を製造した。
なお、該水硬性組成物中の高炉スラグ粉末量は40質量％、ニ水石膏量(SO3換算)は1.0質量％で、半水石膏量(SO3換算)は1.0質量％である。
該水硬性組成物について、フロー値と圧縮強度を実施例１と同様にして測定した。
その結果、フロー値は305(mm)で、３日の圧縮強度は20.5(N/mm2)、７日の圧縮強度は33.8(N/mm2)、28日の圧縮強度は58.0(N/mm2)であった。
実施例１で製造した水硬性組成物(クリンカーNo.2を使用したもの)に、高炉スラグ粉末(ブレーン比表面積4000cm2/g)と、二水石膏及び半水石膏を混合して、水硬性組成物を製造した。
なお、該水硬性組成物中の高炉スラグ粉末量は40質量％、ニ水石膏量(SO3換算)は1.0質量％で、半水石膏量(SO3換算)は1.0質量％である。
該水硬性組成物について、フロー値と圧縮強度を実施例１と同様にして測定した。
その結果、フロー値は305(mm)で、３日の圧縮強度は20.5(N/mm2)、７日の圧縮強度は33.8(N/mm2)、28日の圧縮強度は58.0(N/mm2)であった。
５．実施例４
実施例１で製造した水硬性組成物(クリンカーNo.3を使用したもの)に、高炉スラグ粉末(ブレーン比表面積4000cm2/g)と、二水石膏及び半水石膏を混合して、水硬性組成物を製造した。
なお、該水硬性組成物中の高炉スラグ粉末量は40質量％、ニ水石膏量(SO3換算)は1.0質量％で、半水石膏量(SO3換算)は1.0質量％である。
該水硬性組成物について、フロー値と圧縮強度を実施例１と同様にして測定した。
その結果、フロー値は306(mm)で、３日の圧縮強度は20.8(N/mm2)、７日の圧縮強度は34.2(N/mm2)、28日の圧縮強度は58.3(N/mm2)であった。
実施例１で製造した水硬性組成物(クリンカーNo.3を使用したもの)に、高炉スラグ粉末(ブレーン比表面積4000cm2/g)と、二水石膏及び半水石膏を混合して、水硬性組成物を製造した。
なお、該水硬性組成物中の高炉スラグ粉末量は40質量％、ニ水石膏量(SO3換算)は1.0質量％で、半水石膏量(SO3換算)は1.0質量％である。
該水硬性組成物について、フロー値と圧縮強度を実施例１と同様にして測定した。
その結果、フロー値は306(mm)で、３日の圧縮強度は20.8(N/mm2)、７日の圧縮強度は34.2(N/mm2)、28日の圧縮強度は58.3(N/mm2)であった。
６．比較例２
市販高炉セメントＢ種(高炉スラグ粉末含有量は40質量％)について、フロー値と圧縮強度を実施例１と同様にして測定した。
その結果、フロー値は310(mm)で、３日の圧縮強度は20.5(N/mm2)、７日の圧縮強度は34.0(N/mm2)、28日の圧縮強度は58.0(N/mm2)であった。
市販高炉セメントＢ種(高炉スラグ粉末含有量は40質量％)について、フロー値と圧縮強度を実施例１と同様にして測定した。
その結果、フロー値は310(mm)で、３日の圧縮強度は20.5(N/mm2)、７日の圧縮強度は34.0(N/mm2)、28日の圧縮強度は58.0(N/mm2)であった。
実施例３、４と比較例２から、本発明の水硬性組成物は、高炉セメントと同等の流動特性および硬化特性を有することが分かる。
７．実施例５
実施例１で製造した水硬性組成物(クリンカーNo.3を使用したもの)に、焼成物(C2S;100質量部、C2AS;32質量部、C4AF;15質量部、C3A;0質量部、f-CaO;0.1質量％)の粉砕物(ブレーン比表面積3250cm2/g)と、二水石膏及び半水石膏を混合して、水硬性組成物を製造した。
なお、該水硬性組成物中の粉砕物量は10質量％、ニ水石膏量(SO3換算)は1.0質量％で、半水石膏量(SO3換算)は1.0質量％である。
該水硬性組成物について、フロー値と圧縮強度を実施例１と同様にして測定した。
その結果、フロー値は281(mm)で、３日の圧縮強度は28.0(N/mm2)、７日の圧縮強度は41.7(N/mm2)、28日の圧縮強度は61.2(N/mm2)であった。
実施例１で製造した水硬性組成物(クリンカーNo.3を使用したもの)に、焼成物(C2S;100質量部、C2AS;32質量部、C4AF;15質量部、C3A;0質量部、f-CaO;0.1質量％)の粉砕物(ブレーン比表面積3250cm2/g)と、二水石膏及び半水石膏を混合して、水硬性組成物を製造した。
なお、該水硬性組成物中の粉砕物量は10質量％、ニ水石膏量(SO3換算)は1.0質量％で、半水石膏量(SO3換算)は1.0質量％である。
該水硬性組成物について、フロー値と圧縮強度を実施例１と同様にして測定した。
その結果、フロー値は281(mm)で、３日の圧縮強度は28.0(N/mm2)、７日の圧縮強度は41.7(N/mm2)、28日の圧縮強度は61.2(N/mm2)であった。
８．実施例６
実施例１で製造した水硬性組成物(クリンカーNo.3を使用したもの)に、石灰石粉末(ブレーン比表面積4000cm2/g)と、二水石膏及び半水石膏を混合して、水硬性組成物を製造した。
なお、該水硬性組成物中の石灰石粉末量は10質量％、ニ水石膏量(SO3換算)は1.0質量％で、半水石膏量(SO3換算)は1.0質量％である。
該水硬性組成物について、フロー値と圧縮強度を実施例１と同様にして測定した。
その結果、フロー値は268(mm)で、３日の圧縮強度は28.4(N/mm2)、７日の圧縮強度は42.5(N/mm2)、28日の圧縮強度は56.6(N/mm2)であった。
実施例１で製造した水硬性組成物(クリンカーNo.3を使用したもの)に、石灰石粉末(ブレーン比表面積4000cm2/g)と、二水石膏及び半水石膏を混合して、水硬性組成物を製造した。
なお、該水硬性組成物中の石灰石粉末量は10質量％、ニ水石膏量(SO3換算)は1.0質量％で、半水石膏量(SO3換算)は1.0質量％である。
該水硬性組成物について、フロー値と圧縮強度を実施例１と同様にして測定した。
その結果、フロー値は268(mm)で、３日の圧縮強度は28.4(N/mm2)、７日の圧縮強度は42.5(N/mm2)、28日の圧縮強度は56.6(N/mm2)であった。
９．比較例３
比較例１で使用した市販普通ポルトランドセメントに、石灰石粉末(ブレーン比表面積4000cm2/g)と、二水石膏及び半水石膏を混合して、石灰石粉末混合セメントを製造した。
なお、該石灰石粉末混合セメント中の石灰石粉末量は10質量％、ニ水石膏量(SO3換算)は1.0質量％で、半水石膏量(SO3換算)は1.0質量％である。
該石灰石粉末混合セメントについて、フロー値と圧縮強度を実施例１と同様にして測定した。
その結果、フロー値は271(mm)で、３日の圧縮強度は28.2(N/mm2)、７日の圧縮強度は43.5(N/mm2)、28日の圧縮強度は56.2(N/mm2)であった。
比較例１で使用した市販普通ポルトランドセメントに、石灰石粉末(ブレーン比表面積4000cm2/g)と、二水石膏及び半水石膏を混合して、石灰石粉末混合セメントを製造した。
なお、該石灰石粉末混合セメント中の石灰石粉末量は10質量％、ニ水石膏量(SO3換算)は1.0質量％で、半水石膏量(SO3換算)は1.0質量％である。
該石灰石粉末混合セメントについて、フロー値と圧縮強度を実施例１と同様にして測定した。
その結果、フロー値は271(mm)で、３日の圧縮強度は28.2(N/mm2)、７日の圧縮強度は43.5(N/mm2)、28日の圧縮強度は56.2(N/mm2)であった。
Claims (6)
- NiO含有量が0.3〜1.2質量％であるセメントクリンカーの粉砕物と、石膏を含むことを特徴とする水硬性組成物。
- 前記セメントクリンカーのSO3含有量が0.5〜1.5質量％である請求項１記載の水硬性組成物。
- 塩素含有物を含有する請求項１又は２に記載の水硬性組成物。
- 高炉スラグ粉末、フライアッシュ、石灰石粉末及び珪石粉末から選ばれる１種以上の無機粉末を含有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の水硬性組成物。
- 2CaO・SiO2及び2CaO・Al2O3・SiO2を必須成分とし、2CaO・SiO2100質量部に対して、2CaO・Al2O3・SiO2＋4CaO・Al2O3・Fe2O3を10〜100質量部含有し、かつ、3CaO・Al2O3の含有量が20質量部以下である焼成物の粉砕物を含有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の水硬性組成物。
- 前記セメントクリンカーが、普通ポルトランドセメントクリンカーである請求項１〜５のいずれか１項に記載の水硬性組成物。
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