JP5473811B2 - セメント添加材およびセメント組成物 - Google Patents
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Description
例えば、産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる1種以上を原料とする焼成物であって、C2S(2CaO・SiO2)およびC2AS(2CaO・Al2O3・SiO2)を含有し、C2S100質量部に対して、C2ASとC4AF(4CaO・Al2O3・Fe2O3)の合計量が10〜100質量部である焼成物を粉砕してなるセメント混和材が、知られている(特許文献1、2)。
また、特許文献2には、前記の特定の鉱物組成を有する焼成物をブレーン比表面積3000〜5000cm2/g、好ましくは3200〜4000cm2/gに粉砕したものを、セメント組成物は含有することができると記載されている。
特許文献1、2に記載されている特定の鉱物組成を有する焼成物の粉砕物は、産業廃棄物等を原料として製造されるものであるため、セメント混和材等としての需要が大きくなって、廃棄物処理問題の軽減に寄与することが望まれる。そのためにも、該焼成物の粉砕物は、より良好な物性を有することが求められている。例えば、水量が小さくても、大きな流動性を有するモルタル等を調製しうるセメント添加材として用いることができれば、前記の焼成物の粉砕物の需要が大きくなると考えられる。
本発明は、このような事情の下になされたものであり、産業廃棄物等を原料として製造することができ、かつ、流動性等の向上の効果が大きいセメント添加材を提供することを目的とする。
すなわち、本発明は、以下の[1]〜[4]を提供するものである。
[1]2CaO・SiO2および2CaO・Al2O3・SiO2を少なくとも含み、2CaO・SiO2100質量部に対して、2CaO・Al2O3・SiO2と4CaO・Al2O3・Fe2O3の合計量が10〜100質量部であり、2CaO・SiO 2 の割合が50〜90質量%である焼成物の粉砕物を60質量%以上含有する微粉からなり、該微粉の全量中の粒径20μm以下の微粉の割合が70体積%以上であることを特徴とするセメント添加材。
[2] 上記焼成物中の3CaO・Al2O3の量が、2CaO・SiO2100質量部に対して、0〜20質量部である、前記[1]に記載のセメント添加材。
[3] 上記微粉のブレーン比表面積が、5000cm2/gを超えるものである、前記[1]又は[2]に記載のセメント添加材。
[4] 前記[1]〜[3]のいずれかに記載のセメント添加材と、セメントを含むことを特徴とするセメント組成物。
また、本発明のセメント添加材は、産業廃棄物、一般廃棄物、建設発生土等を原料として製造することができる。そのため、これら産業廃棄物等の有効利用を促進することができる。
2CaO・SiO2は、水硬性を有し、モルタル等の強度(圧縮強度等)を向上させる効果がある。本発明の焼成物中の2CaO・SiO2の割合は、50〜90質量%、好ましくは55〜85質量%である。
2CaO・Al2O3・SiO2は、本発明の焼成物中に適当な割合で含まれることによって、モルタル等の流動性を向上させることができ、また、水和熱を低減させることができる。ただし、焼成物中の2CaO・Al2O3・SiO2の割合が大き過ぎると、モルタル等の強度(例えば、圧縮強度)を低下させることがある。このため、2CaO・Al2O3・SiO2の量は、後述の数値範囲内に限定される。
本発明において、2CaO・Al2O3・SiO2と4CaO・Al2O3・Fe2O3の合計量中の2CaO・Al2O3・SiO2の割合は、好ましくは30質量%以上、より好ましくは40質量%以上、特に好ましくは50質量%以上である。該割合を好ましい範囲内とすれば、焼成可能な温度範囲が広くなり、焼成物の製造の管理が容易になる。
2CaO・Al2O3・SiO2と4CaO・Al2O3・Fe2O3の合計量中の4CaO・Al2O3・Fe2O3の割合は、0質量%でも良いが、焼成のし易さ、および、産業廃棄物等の有効利用の促進の観点から、好ましくは1質量%以上、より好ましくは3質量%以上である。なお、4CaO・Al2O3・Fe2O3は、主に、産業廃棄物等に由来する。
本発明の焼成物中の3CaO・Al2O3の量は、2CaO・SiO2100質量部に対して、好ましくは0〜20質量部、より好ましくは0〜10質量部である。該量が20質量部以下であると、モルタル等の流動性をより良好にすることができる。
本発明の焼成物中のフリーライム量(f−CaO)は、流動性および強度発現性の観点から、好ましくは1.5質量%以下、より好ましくは1.0質量%以下である。
本発明のセメント添加材中の上記焼成物の粉砕物の含有率は、60質量%以上、好ましくは65質量%以上、より好ましくは70質量%以上である。該含有率が60質量%未満では、モルタル等の水/粉体の質量比が小さくなると、流動性が極端に低下する。また、産業廃棄物等の使用量の増大も図りづらくなる。
本発明のセメント添加材は、上記焼成物の粉砕物に加えて、セメントクリンカ粉砕物、石膏粉末、石灰石粉末、高炉スラグ粉末等を含むことができる。
本発明のセメント添加材を構成する微粉の全量中の粒径10μm以下の微粉の割合は、モルタル等の流動性および強度発現性の観点から、好ましくは50体積%以上、より好ましくは60体積%以上、特に好ましくは70体積%以上である。
本発明のセメント添加材を構成する微粉の全量中の粒径1μm以下の微粉の割合は、モルタル等の流動性および強度発現性の観点から、好ましくは3体積%以上、より好ましくは6体積%以上、特に好ましくは10体積%以上である。該割合の上限は、特に限定されないが、通常、30体積%である。
本発明のセメント添加材を構成する微粉のブレーン比表面積は、好ましくは5000cm2/gを超えるものであり、より好ましくは6000cm2/g以上であり、特に好ましくは7000cm2/g以上である。
(a)2CaO・SiO2=1.02×CaO+0.95×SiO2−1.69×Al2O3−0.36×Fe2O3
(b)2CaO・Al2O3・SiO2=−1.63×CaO+3.04×SiO2+2.69×Al2O3+0.57×Fe2O3
(c)4CaO・Al2O3・Fe2O3=3.04×Fe2O3
(d)3CaO・Al2O3=1.61×CaO−3.00×SiO2−2.26×Fe2O3
この場合、原料廃棄物と石灰石の合計量中の廃棄物原料の割合は、好ましくは10質量%以上、より好ましくは20質量%以上、さらに好ましくは30質量%以上、特に好ましくは40質量%以上である。該割合の上限は特に限定されず、例えば100質量%でも良い。ただし、廃棄物原料中のカルシウムの含有率が小さい場合には、本発明で規定する鉱物組成を得るために、石灰石を用いることが必要な場合がある。
産業廃棄物としては、例えば、石炭灰、各種汚泥(生コンスラッジ、下水汚泥、浄水汚泥、建設汚泥、製鉄汚泥等)、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、例えば、土木工事現場から発生する残土等が挙げられる
焼成手段としては、ロータリーキルン等が挙げられる。ロータリーキルンを用いる場合、燃料代替物として、廃油、廃タイヤ、廃プラスチック等を用いてもよい。
本発明のセメント添加材は、焼成物およびその他の材料(例えば、石灰石粉末、高炉スラグ粉末等)を粉砕することによって得ることができる。なお、焼成物とその他の材料は、別々に粉砕してもよいが、粉砕の効率の観点から、一括して粉砕することが好ましい。
粉砕手段としては、本発明で規定する粒度分布を得ることができる限りにおいて、任意の粉砕手段を用いることができ、例えば、粉砕媒体として球体を用いた粉砕手段が挙げられる。
粉砕媒体として球体を用いた粉砕手段の例としては、ボールミル(被粉砕物の収容手段として、回転する円筒形のドラムを用いたもの)等が挙げられる。
なお、ドラムに収容される粉砕媒体である球体としては、鋼球、セラミックス球等が挙げられる。
本明細書中、セメント組成物とは、水等と混合してモルタル等を調製する前の、セメントおよび本発明のセメント添加材を含む組成物を意味する。セメント組成物の一例としては、セメントと本発明のセメント添加材を混合してなるプレミックス粉体が挙げられる。
セメントとしては、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント等の各種ポルトランドセメントや、エコセメントや、高炉セメント、フライアッシュセメント等の混合セメント等が挙げられる。
本発明のセメント添加材の配合量は、流動性および強度発現性の観点から、セメント100質量部に対して、好ましくは5〜200質量部、より好ましくは10〜170質量部、特に好ましくは15〜150質量部である。
前記のセメント組成物を用いて、ペースト、モルタルまたはコンクリート(本明細書中、これらを総称して「モルタル等」ともいう。)を調製することができる。
ペースト、モルタルまたはコンクリートの製造用の材料としては、上述のセメントおよび本発明のセメント添加材以外に、減水剤、水、細骨材、粗骨材、セメント混和材(例えば、シリカフューム、スラグ微粉末等)、石膏、ポリマー等が挙げられる。
減水剤の配合量は、セメント組成物100質量部に対して、固形分換算で、好ましくは0.1〜4.0質量部、より好ましくは0.1〜1.0質量部である。
水/セメント組成物の質量比は、流動性および強度発現性の観点から、好ましくは0.10〜0.50、より好ましくは0.12〜0.30、特に好ましくは0.15〜0.20である。
細骨材としては、川砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂等が挙げられる。細骨材/セメント組成物の質量比は、強度等の観点から、好ましくは0.3〜3.5、より好ましくは0.5〜3.0である。
粗骨材の配合量は、強度発現性等の観点から、コンクリート中の体積割合で50%以下であることが好ましい。
セメント混和材の配合量は、流動性および強度発現性の観点から、セメント組成物100質量部に対して、好ましくは0〜40質量部、より好ましくは0〜20質量部である。
本発明のセメント添加材を用いれば、高強度および高流動性のモルタル等を製造することができる。
[焼成物の製造]
表1に示す化学組成を有する石灰石、下水汚泥および石炭灰を含む原料を1350℃で焼成して、焼成物(2CaO・SiO2の含有率:70質量%、2CaO・Al2O3・SiO2の含有率:30質量%、f−CaOの含有率:0.1質量%)を得た。
(1)予備粉砕
上記焼成物、セメントクリンカ、二水石膏および石灰石粉末を混合および粉砕して、ブレーン比表面積3200cm2/gの予備粉砕物を製造した。
なお、予備粉砕物の原料の合計量中の上記焼成物の割合は、70質量%であった。また、リートベルト法で測定した予備粉砕物の鉱物組成は、2CaO・SiO2の含有率が57質量%、2CaO・Al2O3・SiO2の含有率が21質量%、4CaO・Al2O3・Fe2O3の含有率が3質量%、3CaO・SiO2の含有率が11質量%、3CaO・Al2O3の含有率が3.5質量%、石膏の含有率がSO3換算で1.4質量%、炭酸カルシウムの含有率が1質量%であった。
(2)試料A(本発明のセメント添加材)
上記予備粉砕物を、以下の鋼球を使用したボールミルを用いて、36時間粉砕し、試料Aを製造した。
鋼球は、直径20mmの鋼球と直径17mmの鋼球と直径22mmの鋼球を5:3:2の質量比で構成したものである。
(3)試料B(本発明のセメント添加材)
上記予備粉砕物を、以下の鋼球を使用したボールミルを用いて、36時間粉砕し、試料Bを製造した。
鋼球は、直径12.7mmの鋼球と直径9.5mmの鋼球と直径6.4mmの鋼球を1:1:1の質量比で構成したものである。
(4)試料C(比較用のセメント添加材)
前記の予備粉砕物を粉砕せずに、試料Cとして用いた。
得られた試料A〜Cの粒度分布を表2に示す。なお、粒度分布は、粒度分布測定装置(製品名:マイクロトラックHRA モデル9320−X100、日機装社製)を用いて、レーザー回折・散乱法により測定した。この際、分散媒であるエタノール30cm3に対して試料0.06gを添加し、90秒間、超音波分散装置(製品名:US300、日本精機製作所社製)で超音波分散したものを測定した。
(1)使用材料
以下に示す材料を使用した。
1)セメント
普通ポルトランドセメント(ブレーン比表面積:3360cm2/g、太平洋セメント社製、表3中、「普通」と略す。)
低熱ポルトランドセメント(ブレーン比表面積:3430cm2/g、太平洋セメント社製、表3中、「低熱」と略す。)
2)セメント添加材
試料A(本発明のセメント添加材)
試料B(本発明のセメント添加材)
試料C(比較用のセメント添加材)
3)細骨材
珪砂(最大粒径:1.2mm)
4)減水剤
ポリカルボン酸系高性能減水剤(商品名:レオビルド SP8HU、BASFポゾリス社製)
5)水:水道水
(2)モルタルの製造
表3に示す種類および量(質量部)のセメント、セメント添加材および減水剤と、セメントとセメント添加材の合計量100質量部に対して18質量部の水および73質量部の細骨材を混合して、モルタルを製造した。なお、表3中の減水剤の量は、固形分換算の値である。
(a)混練時間
均一な組成を有するモルタルが得られるまでの混練時間を測定した。
(b)フロー値
「JIS R 5201(セメントの物理試験方法)11.フロー試験」に記載される方法において、15回の落下運動を行わないで、フロー値を測定した。
(c)圧縮強度
φ50×100mmの型枠を用いて成形し、20℃で24時間前置きした後、脱型し、さらに90℃で48時間蒸気養生し、セメント質硬化体を得た。該硬化体の圧縮強度を測定した。
(d)結果
各モルタルの混練時間、フロー値および圧縮強度の値を表4に示す。なお、比較例1〜2では、900秒間練り混ぜても、粉状物のままであった。
表4に示すように、実施例1〜4では、120〜240秒間の混練によって、良好な流動性を有するモルタルを得ることができた。また、これらのモルタルは、良好な流動性(フロー値)および強度(圧縮強度)を有していた。一方、比較例1〜2では、均一な組成物を得ることができなかった。
Claims (4)
- 2CaO・SiO2および2CaO・Al2O3・SiO2を少なくとも含み、2CaO・SiO2100質量部に対して、2CaO・Al2O3・SiO2と4CaO・Al2O3・Fe2O3の合計量が10〜100質量部であり、2CaO・SiO 2 の割合が50〜90質量%である焼成物の粉砕物を60質量%以上含有する微粉からなり、
該微粉の全量中の粒径20μm以下の微粉の割合が70体積%以上であることを特徴とするセメント添加材。 - 上記焼成物中の3CaO・Al2O3の量が、2CaO・SiO2100質量部に対して、0〜20質量部である、請求項1に記載のセメント添加材。
- 上記微粉のブレーン比表面積が、5000cm2/gを超えるものである、請求項1又は2に記載のセメント添加材。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載のセメント添加材と、セメントを含むことを特徴とするセメント組成物。
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