JP5483354B2 - 水硬性材料および水硬性組成物 - 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、一般に、コンクリート等の水硬性組成物は、硬化前に良好な流動性を有し、かつ、硬化後に大きな強度(例えば、圧縮強度)を有することが望まれる。
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、例えばセメントクリンカを併用せずにもしくは少量だけ用いる場合であっても大きな強度(例えば、圧縮強度)を有する水硬性組成物を得ることができる水硬性材料、および該水硬性材料を含む水硬性組成物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]〜[5]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水硬性材料。
[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、上記[1]に記載の水硬性材料。
[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、上記[1]又は[2]に記載の水硬性材料。
[4]上記微粉が、上記焼成物の粉砕物100質量部に対して、石膏をSO3換算で6質量部以下含有する、上記[1]〜[3]のいずれかに記載の水硬性材料。
[5]上記[1]〜[4]のいずれかに記載の水硬性材料と、水と、減水剤を含み、かつ、100N/mm2以上の圧縮強度を有することを特徴とする水硬性組成物。
また、本発明の水硬性材料は、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。特に、水硬性組成物中の本発明の水硬性材料の割合を大きくすることができるので、産業廃棄物等の使用量の増大を図ることができる。
2CaO・SiO2は、水硬性を有し、水硬性組成物の強度(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、水硬性組成物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、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、水硬性組成物の流動性がより向上する。
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。
本発明の水硬性材料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、水硬性組成物における水/水硬性材料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。
本発明の水硬性材料は、水硬性組成物の流動性や強度発現性等の観点から、焼成物の粉砕物100質量部に対して、石膏をSO3換算で、好ましくは6質量部以下、より好ましくは1〜5質量部含むことができる。石膏としては、二水石膏、半水石膏、無水石膏、またはこれらの二種以上からなる混合物を使用することができる。
なお、本発明の水硬性材料は、上記材料に加えて、セメントクリンカ粉砕物、石灰石粉末、高炉スラグ粉末等を含むことができる。
本発明の水硬性材料を構成する微粉の全量中の粒径10μm以下の微粉の割合は、水硬性組成物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。
本発明の水硬性材料を構成する微粉の全量中の粒径1μm以下の微粉の割合は、水硬性組成物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。該割合の上限値は、特に限定されないが、通常、30体積%である。
本発明の水硬性材料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。
本発明の水硬性材料は、例えば、焼成物およびその他の材料(例えば、石膏、セメントクリンカ、石灰石等)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(被破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。
水硬性組成物は、本発明の水硬性材料と、減水剤と、水を含む。また、水硬性組成物は、他の任意の材料(例えば、細骨材や、粗骨材や、シリカフューム、高炉スラグ粉末等のセメント混和材や、石膏等)を含むことができる。
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、ポリカルボン酸系等の減水剤、AE減水剤、高性能減水剤または高性能AE減水剤が挙げられる。中でも、ポリカルボン酸系の高性能減水剤または高性能AE減水剤が好ましい。減水剤を用いることによって、流動性および強度発現性を向上させることができる。
減水剤の配合量は、本発明の水硬性材料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/水硬性材料の質量比は、流動性および強度発現性の観点から、好ましくは0.10〜0.65、より好ましくは0.15〜0.50である。
水硬性組成物は、細骨材を含むことができる。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/水硬性材料の質量比は、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。
水硬性組成物は、粗骨材を含むことができる。粗骨材の配合量は、強度発現性等の観点から、水硬性組成物中の体積割合で50%以下であることが好ましい。
シリカフューム等のセメント混和材を含む場合、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、本発明の水硬性材料100質量部に対して、好ましくは40質量部以下、より好ましくは20質量部以下である。
水硬性組成物の圧縮強度は、好ましくは100N/mm2以上、より好ましくは130N/mm2以上、特に好ましくは150N/mm2以上である。
なお、本明細書中、フロー値とは、JIS R 5201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測定された値である。
[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(水硬性材料)
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(水硬性材料)
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。
(3)試料C
前記の予備粉砕物を粉砕せずに、試料Cとして用いた。
(4)試料D
上記焼成物および二水石膏を混合および粉砕して、ブレーン比表面積3200cm2/gの試料Dを製造した。なお、試料D中の石膏の含有率は、SO3換算で2質量%であった。
得られた試料A〜D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。
表3に示す試料100質量部、水18質量部、珪砂(最大粒径:1.2mm)73質量部、ポリカルボン酸系高性能AE減水剤(商品名:レオビルド SP8HU、BASFポゾリス社製)0.5質量部(固形分換算)を混合して、組成物を製造した。
[組成物の物性の測定]
(1)混練時間
各組成物について、均一な組成を有する組成物を得るまでの混練時間を測定した。
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。
(2)フロー値
各組成物について、「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。
(3)圧縮強度
各組成物について、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(3本)を得た。これらのセメント質硬化体(3本)の圧縮強度を測定し、平均値を算出した。
(4)測定結果
得られた結果を表3に示す。表3から、実施例1、2の組成物は、混練性、流動性および強度が良好であり、水硬性組成物として用いうることがわかる。一方、比較例1、2の組成物は、水硬性組成物として用いることができないことがわかる。
試料C〜Dの各々について、圧縮強度を「JIS R 5201(セメントの物理試験方法)」に準じて測定しようとしたが、20℃で4日間湿空養生しても硬化せず、脱型することができなかった。
Claims (5)
- 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水硬性材料。
- 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に記載の水硬性材料。
- 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に記載の水硬性材料。
- 上記微粉が、上記焼成物の粉砕物100質量部に対して、石膏をSO3換算で6質量部以下含有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の水硬性材料。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の水硬性材料と、水と、減水剤を含み、かつ、100N/mm2以上の圧縮強度を有することを特徴とする水硬性組成物。
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