JP5474604B2

JP5474604B2 - 水硬性組成物

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Publication number: JP5474604B2
Application number: JP2010035924A
Authority: JP
Inventors: 大亮黒川; 宙平尾
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-02-22
Also published as: JP2011168462A

Description

本発明は、流動性や強度発現性に優れるモルタルやコンクリートを製造することができる水硬性組成物に関するものである。

高炉スラグ粉末をポルトランドセメントクリンカーおよび石膏と配合して得られる高炉セメントを使用したモルタルやコンクリートは、普通ポルトランドセメントを使用したモルタルやコンクリートと比べてアルカリ骨材反応の抑制効果や耐硫酸塩性が優れているとともに長期強度が高いという利点がある。
また、高炉スラグは、鉄鋼生産時に副次的に生産される物質であり、一度溶融されて酸化物の混合組成となっていることから、これを粉砕処理するのみでセメント混和材として使用することができる。それ故、ポルトランドセメントのクリンカー製造などに必要な焼成のためのエネルギーが不要である利点があり、省エネルギーや炭酸ガス排出量削減の効果が大きく、その使用量を拡大することは、地球環境的な改善効果もある。

しかし、高炉スラグ粉末を大量に使用したモルタルやコンクリートでは、初期強度が普通ポルトランドセメントを使用したモルタルやコンクリートと比べて劣るという欠点があった。そこで、ブレーン比表面積が6000cm²/g以上、特に8000cm²/g以上の粉末度の大きい高炉スラグ粉末を使用することにより、モルタルやコンクリートの初期強度を改善することが試みられている（特許文献１）。
また、高炉スラグ粉末とポルトランドセメントをとの混合セメントに、ブレーン比表面積が7000cm²/g以上の石膏を添加することにより、モルタルやコンクリートの初期強度を改善することが試みられている（特許文献２）。

特開昭６１−２４２９４２号公報特開２００８−１７９５０４号公報

しかしながら、上記特許文献１では、高炉スラグをブレーン比表面積が6000cm²/g以上に粉砕する必要があり、その粉砕に手間がかかるうえ、粉砕にかかる電力原単位が上昇するという問題がある。また、粉末度の大きい高炉スラグ粉末を使用することにより、モルタルやコンクリートの初期強度は改善されるが、その後の強度が増進せず、十分な長期強度が得られない場合があるという問題もある。さらに、高炉スラグの高粉末度化はコンクリートの断熱温度上昇による温度ひび割れ発生の原因にもなりかねる。
上記特許文献２では、石膏をブレーン比表面積が7000cm²/g以上に粉砕する必要があり、その粉砕に手間がかかるという問題がある。また、高炉スラグ粉末含有量が60質量％を超えるような混合セメントに対しては、初期強度の改善効果が小さいという問題もある。

そこで、本発明においては、上記従来技術の問題点、知見に鑑みなされたものであって、その目的は、ブレーン比表面積が小さい（5000cm²/g以下）高炉スラグ粉末等の無機粉末を大量に含む水硬性組成物であっても、流動性や強度発現性の良好なモルタルやコンクリートを製造することができる水硬性組成物を提供する。

本発明者らは、斯かる実情に鑑み、鋭意検討した結果、特定の水硬率、ケイ酸率および鉄率を有する焼成物の粉砕物と石膏と高炉スラグ粉末等の混和材を組み合わせることにより、上記課題を解決することができることを見いだし、本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明は、（Ａ）水硬率が2.4〜2.8、ケイ酸率が1.5〜50、鉄率が1.3〜50である焼成物の粉砕物と、（Ｂ）ブレーン比表面積が2500〜5000cm ² /gの石膏と、（Ｃ）ブレーン比表面積が2500〜5000cm ² /gの高炉スラグ粉末とを含み、（Ｃ）成分の含有量が（Ａ）成分100質量部に対して70〜400質量部であることを特徴とする水硬性組成物を提供するものである。

本発明の水硬性組成物では、ブレーン比表面積が小さい（5000cm²/g以下）高炉スラグ粉末等の無機粉末を大量に使用しながらも、流動性や強度発現性が良好なモルタルやコンクリートを製造することができる。
また、本発明の水硬性組成物では、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することができるので、廃棄物の有効利用の促進にも貢献することができる。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明で使用する焼成物は、水硬率が2.4〜2.8、ケイ酸率が1.5以上、鉄率が1.3以上のものである。
焼成物の水硬率が小さくなると、モルタルやコンクリートの強度発現性、特に初期強度発現性が低下する傾向にある。一方、水硬率が大きくなると、モルタルやコンクリートの初期強度は向上するが、長期強度の伸びが鈍くなる傾向にある。また、モルタルやコンクリートの流動性が低下する。さらに、焼成物の焼成も困難となる。そのため、水硬率は2.4〜2.8が好ましく、より好ましくは2.45〜2.8であり、特に好ましくは2.5を超え2.75以下である。
焼成物のケイ酸率が小さくなると、モルタルやコンクリートの流動性が低下する傾向にある。一方、ケイ酸率が大きくなると、モルタルやコンクリートの流動性面では好ましいが、焼成物の焼成が困難になる。そのため、ケイ酸率は1.5以上が好ましく、より好ましくは1.55〜50であり、特に好ましくは1.6〜20である。
焼成物の鉄率が小さくなると、モルタルやコンクリートの流動性面では好ましいが、焼成物の粉砕性が低下する。一方、鉄率が大きくなると、モルタルやコンクリートの流動性が低下する傾向にある。そのため、鉄率は1.3以上が好ましく、より好ましくは1.5〜50であり、特に好ましくは1.6〜30である。

本発明で使用する焼成物は、3CaO・SiO₂(以降、C₃Sと略す)を70〜98質量％、3CaO・Al₂O₃(以降、C₃Aと略す)を2〜28質量％含有し、かつ遊離石灰量が20質量％以下であることが好ましい。
C₃S含有量、C₃A含有量及び遊離石灰量が前記範囲外では、焼成物の水硬率を2.4〜2.8、ケイ酸率を1.5以上、鉄率を1.3以上に調整することが困難となる。本発明においては、モルタルやコンクリートの流動性や強度発現性、焼成のし易さ等から、焼成物のC₃S含有量は80質量％を超え98質量％以下が、C₃A含有量は2質量以上20質量％未満が、遊離石灰量は5質量％以下であることが好ましい。
なお、本発明において、C₃S、C₃A含有量はボーグ式で算出される値である。

なお、本発明で使用する焼成物においては、モルタルやコンクリートの凝結、流動性や強度発現性、焼成のし易さ等から、焼成物中の水硬率(Ｘ)とケイ酸率(Ｙ)との関係が、
Ｙ≧11.25Ｘ−25を満足することが好ましい。

本発明で使用する焼成物は、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、焼成物の原料として、産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる１種以上の廃棄物等も使用することができる。産業廃棄物としては、例えば石炭灰；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；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。
なお、本発明においては、焼成物の原料中に、フラックスや鉱化剤成分（例えば、フッ素や亜鉛等）を含むことが好ましい。

上記各原料を所定の水硬率、ケイ酸率、鉄率となるように混合し、好ましくは1200〜1550℃で焼成することにより、焼成物が製造される。より好ましい焼成温度は1350〜1450℃である。
各原料を混合する方法は、特に限定するものではなく、慣用の装置等で行えばよい。
また、焼成に使用する装置も特に限定するものではなく、例えば、ロータリーキルン等を使用することができる。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。

本発明の水硬性組成物は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。
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。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をSO₃換算で30質量％以上にすることにより、モルタルやコンクリートの流動性のさらなる向上や、水硬性組成物の水和熱の低減等を図ることができる。２水石膏及び半水石膏の合量に対する半水石膏のより好ましい割合は、SO₃換算で60質量％以上であり、特に好ましくは70質量％以上である。

また、本発明においては、水硬性組成物中の全SO₃に対する２水石膏及び半水石膏中のSO₃の割合は40質量％以上であることが好ましい。水硬性組成物中の全SO₃に対する２水石膏及び半水石膏中のSO₃の割合が40質量％未満では、モルタルやコンクリートの流動性が低下するので好ましくない。水硬性組成物中の全SO₃に対する２水石膏及び半水石膏中のSO₃の割合は、モルタルやコンクリートの流動性向上の観点や減水剤との相性等から、50〜95質量％が好ましく、60〜90質量％がより好ましい。
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。また、水硬性組成物中の全SO₃の定量は、化学分析により行うことができる。

水硬性組成物中の石膏量は、モルタルやコンクリートの流動性や強度発現性等から、焼成物の粉砕物100質量部に対して、SO₃換算で1〜5質量部であることが好ましく、1.5〜4.0質量部であることがより好ましい。

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、珪石粉末から選ばれる１種以上の無機粉末を含むものである。無機粉末としては、モルタルやコンクリートの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や耐硫酸塩性等から、高炉スラグ粉末、高炉スラグ粉末と石灰石粉末を組み合わせたものを使用することが好ましい。
本発明において、水硬性組成物中の無機粉末量は、該無機粉末の種類により異なる。例えば、高炉スラグ粉末であれば、モルタルやコンクリートの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、焼成物の粉砕物100質量部に対して、70〜400質量部であることが好ましく、100〜350質量部であることがより好ましい。フライアッシュ、石灰石粉末や珪石粉末であれば、焼成物の粉砕物100質量部に対して、50〜300質量部であることが好ましく、60〜250質量部であることがより好ましい。なお、高炉スラグ粉末と石灰石粉末を組み合わせて使用する場合は、モルタルやコンクリートの流動性や強度発現性等から、高炉スラグ粉末は焼成物の粉砕物100質量部に対して70〜400質量部が好ましく、石灰石粉末は焼成物の粉砕物100質量部に対して１〜20質量部であることが好ましい。

本発明の水硬性組成物の製造方法について説明する。
水硬性組成物の製造方法としては、例えば、
(1)焼成物と石膏を同時に粉砕し、該粉砕物に、高炉スラグ粉末、フライアッシュ、石灰石粉末、珪石粉末から選ばれる１種以上の無機粉末を混合する方法、
(2)焼成物を粉砕し、該粉砕物に、石膏と、高炉スラグ粉末、フライアッシュ、石灰石粉末、珪石粉末から選ばれる１種以上の無機粉末を混合する方法、
(3)焼成物と、石膏と、高炉スラグ粉末、フライアッシュ、石灰石粉末、珪石粉末から選ばれる１種以上の無機粉末を同時に粉砕する方法、
等が挙げられる。

上記(1)の場合は、焼成物と石膏はブレーン比表面積2500〜4500cm²/gに粉砕することが好ましく、3000〜4500cm²/gに粉砕することがより好ましい。また、無機粉末としてはブレーン比表面積2500〜5000cm²/gのものを使用するのが好ましく、3000〜4500cm²/gのものを使用するのがより好ましい。
上記(2)の場合は、焼成物はブレーン比表面積2500〜4500cm²/gに粉砕することが好ましく、3000〜4500cm²/gに粉砕することがより好ましい。また、石膏と無機粉末としてはブレーン比表面積2500〜5000cm²/gのものを使用するのが好ましく、3000〜4500cm²/gのものを使用するのがより好ましい。
上記(3)の場合も、石膏と無機粉末としてはブレーン比表面積2500〜5000cm²/gのものを使用するのが好ましく、3000〜4500cm²/gのものを使用するのがより好ましい。
なお、本発明において、水硬性組成物のブレーン比表面積は、モルタルやコンクリートの流動性や強度発現性等から、2500〜4500cm²/gであることが好ましく、3000〜4500cm²/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。

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。

以下、実施例により本発明を説明する。
１．実施例１
（１）焼成物の製造：
原料として、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、水硬率;2.51、ケイ酸率;4.0、鉄率;5.0（C₃S含有量;81質量％、C₃A含有量;11質量％、遊離石灰量;0.5質量％）の焼成物を、電気炉を用いて1450℃で焼成して製造した。

（２）水硬性組成物の製造
上記焼成物に、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3250cm²/gとなるように同時粉砕して、粉砕物を調製した。該粉砕物に高炉スラグ粉末(ブレーン比表面積4000cm²/g)を混合して、水硬性組成物の製造した。
なお、水硬性組成物中の高炉スラグ粉末量は焼成物の粉砕物100質量部に対して200質量部であり、ニ水石膏量(SO₃換算)は焼成物の粉砕物100質量部に対して1.0質量部であり、半水石膏量(SO₃換算)は焼成物の粉砕物100質量部に対して1.0質量部である。

（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。
(1)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。
(2)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。
その結果、フロー値は325(mm)で、３日の圧縮強度は28.5(N/mm²)、７日の圧縮強度は43.2(N/mm²)、28日の圧縮強度は59.3(N/mm²)であった。

２．実施例２
実施例１と同じ原料を使用して、水硬率;2.7、ケイ酸率;10.0、鉄率;20.0（C₃S含有量;91質量％、C₃A含有量;5.8質量％、遊離石灰量;1.3質量％）の焼成物を、電気炉を用いて1450℃で焼成して製造した。
実施例１と同様にして水硬性組成物を製造し、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335(mm)で、３日の圧縮強度は34.5(N/mm²)、７日の圧縮強度は47.6(N/mm²)、28日の圧縮強度は62.3(N/mm²)であった。

３．比較例１
普通ポルトランドセメント（水硬率;2.1、ケイ酸率;2.5、鉄率;1.8、（C₃S含有量;60質量％、C₃A含有量;9質量％、遊離石灰量;0.5質量％）100質量部と、高炉スラグ粉末(ブレーン比表面積4000cm²/g)200質量部を混合して、試製高炉セメントを製造した。なお、石膏量は、実施例１の水硬性組成物と同じ量となるように調整した。
該試製高炉セメントの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320(mm)で、３日の圧縮強度は16.5(N/mm²)、７日の圧縮強度は30.0(N/mm²)、28日の圧縮強度は53.2(N/mm²)であった。

４．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。

上記のように、本発明の水硬性組成物では、高炉スラグ粉末の含有量が多くても、流動性と強度発現性が良好であることが分かる。

Claims

（Ａ）水硬率が2.4〜2.8、ケイ酸率が1.5〜50、鉄率が1.3〜50である焼成物の粉砕物と、（Ｂ）ブレーン比表面積が2500〜5000cm ² /gの石膏と、（Ｃ）ブレーン比表面積が2500〜5000cm ² /gの高炉スラグ粉末とを含み、（Ｃ）成分の含有量が（Ａ）成分100質量部に対して70〜400質量部であることを特徴とする水硬性組成物。
焼成物が、3CaO・SiO₂を70〜98質量％、3CaO・Al₂O₃を2〜28質量％含有し、かつ遊離石灰量が20質量％以下の焼成物である請求項１記載の水硬性組成物。