JP5711556B2 - 水硬性固化材の製造方法および耐酸性コンクリートの製造方法 - Google Patents
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スラグの水和・硬化を促進するにはナトリウムアルカリ成分が不可欠であり、かつ、耐酸性発現にはCaO/SiO2モル比が0.5〜0.6以下の水和生成物が必要である。
粉末系ケイ酸ナトリウム組成物は、粉末水ガラス(1号〜3号)、メタケイ酸ナトリウム含水塩が、JIS規格で市販されている。これらは、スラグ用硬化促進固化材としてそれなりの性能は得られるものの、大きな問題がある。即ち、水ガラス粉末は、そのSiO2/Na2Oモル比で1号相当のみが固化材の可能性があるものの、価格が工業用水ガラスの約数倍と高価であり、対象外となる。一方、メタケイ酸ナトリウム含水塩は、強度発現に優れているものの、スラリー性状が瞬結となり、かつ、その価格も粉末水ガラスより高価となり、固化材としての使用は不可能である。
以上の検討の結果、本発明者等は本発明に至った。
また、第2の本発明に係る水硬性固化材の製造方法は、20乃至50重量%のNa 2 O成分と、35乃至65重量%のSiO 2 成分とを含み、原料配合でのSiO 2 成分とNa 2 O成分とのモル比である設定S/Nが0.9乃至3.15になるよう、苛性ソーダとシリカ含有無機物粉末とを配合し、混合した後、加圧成形して固化材原料とし、前記固化材原料を360度乃至450度の温度で所定時間加熱した後、粉砕することを、特徴とする。
本発明に関連する水硬性固化材の製造方法は、20乃至40重量%のNa2O成分と、30乃至65重量%のSiO2成分と、10乃至25重量%のH2O成分とを含み、原料配合でのSiO2成分とNa2O成分とのモル比である設定S/Nが0.9乃至3.15になるよう、苛性ソーダ水溶液とシリカ含有無機質粉末とを配合し、混合してスラリーとした後、脱水または乾燥させて固化材原料とすることを、特徴とする。
水硬性固化材の固化材原料の性能を調べるために、モルタル試験を行った。
粉末非晶質のシリカ成分と苛性ソーダの50%濃度水溶液とを配合し、混合して一旦スラリーを作成し、ハンドリングを容易とし運搬可能とするため、スラリーを脱水または乾燥させて、自重に耐える固化体を作成し、これを固化材原料(以下、「出発原料固化体」という)とした。なお、苛性ソーダの特性を期待し、乾燥温度を100〜110℃の範囲とし、水溶液濃度を78〜80%程度とすることにより、高流動化(液状)苛性ソーダとシリカ成分との反応によるケイ酸ナトリウム組成物固化体を可能とした。また、シリカ成分としては、産業廃棄物である非晶質ガラス質のビンガラス(平均組成:SiO2が78.5%、Na2Oが5.6%、Al2O3が2.1%、CaOが12.8%)の粉末(ブレーン値:2,000cm2/g程度)を使用している。
モルタル試験結果を、表1に示す。
(1)苛性ソーダ水溶液は、高濃度(80%近傍)水溶液で、かつ、その低粘性液体として、S/N=1.0〜3.05で100〜110℃にて非晶質シリカと容易に反応し、粉砕・粉末可能な出発原料固化体を形成することができる。
(2)出発原料固化体を粉末化して、スラグの硬化促進用出発原料固化体として十分に性能を発揮することができ、反応性及び溶出量(%)を考慮しても市販粉末水ガラス(1号相当)の固化性能と何ら変わらない。
(3)出発原料固化体の生成は、苛性ソーダ成分がガラス中シリカと反応し、主にメタケイ酸ソーダ組成物を生成するためであると理解される。
次に、顆粒状のNaOH試薬と廃ガラス粉末とを、S/N比1.0〜3.0に対応して配合し、振動ミルにて混合・粉砕した後、軽く圧縮し成形して、電気炉中にて400℃で加熱処理し、これを固化材原料(以下、「出発原料成形体」という)としてモルタル試験を行った。顆粒状のNaOH試薬は、含水量約5%を考慮すると、電気炉中加温に伴って350℃近傍で溶融化することが確かめられた。よって、350℃以上の出来るだけ低い温度として出発原料成形体を400℃にて加熱処理し、表1と同様にプレキャストモルタルを製造し、評価を行った。モルタル試験結果を、表2に示す。
次に、シリカ質原料中にカルシウム成分を殆ど含有しないケイ砂(市販5号ケイ砂)を用いて同様の試験を行った結果を、表3に示す。シリカ原料中SiO2含有は、約90%である。
比較として、苛性ソーダ粉末(試薬)とシリカ成分として廃ガラスとを用いて、加熱処理なしでの出発原料成形体を使用してモルタル試験を行った結果を、表4に示す。
(1)S/Nの範囲で最適値が存在し、2以下(1程度まで)で性能は向上し、モルタル強度で25〜42N/mm2が確保される。
苛性ソーダ粉末の高濃度水溶液(濃厚溶液)は、加圧蒸気下(いわゆるオートクレーブ条件下)において、容易に流体化する特徴を持つことが確かめられた。これは、オートクレーブ環境において水と乾き蒸気との2相が出現することで、後者により苛性ソーダ成分の液体化が促進され、110℃以上の温度の作用を駆動としてシリカ成分の反応が進行するものと考えられる。これに基づき、以下の検討を行った。
水ガラスの粘度挙動として、工業用水ガラス(JIS規格品)の含水量(wt%)と粘度(ポアズ)との関係を表5に示す。粘度測定は、レオペクシーアナライザー(RPX−705)で行った。
以上の検討結果より、オートクレーブ処理で生成する水ガラス組成物の流出/流下を抑えるには、特に大幅な含水率の低下が必須であり、出発原料固化体の組成につき検討した。
以下、表1で示した50%苛性ソーダ溶液とシリカ源である廃ガラスとのS/N別スラリーからの出発原料固化体を用いてオートクレーブ処理を行う。
シリカ原料の不純物を除いたときのNa2O−SiO2−H2O系の組成、および図2に示す相平衡図からの生成相および有価性を、表6に示す。
1リットルのオートクレーブを用い、水充填を容器の15%前後にして予備試験を行った。
出発原料固化体を数cm程度の平板状(厚さ1cm以下)に解さいしたものを使用し、これをオートクレーブ容器中に水充填部から離して固定・設置して、オートクレーブ処理を行った。この際、オートクレーブ内でドレイン水を被り、濡れるのを防止するため、試料上部にテフロン(登録商標)製カバーを付け、防水処理を行った。
(1)ドレイン水対策は必須条件であり、この処理でほぼ2wt%以下の蒸気水分の固定に抑えることが出来た。即ち、オートクレーブ処理物は、ほぼ脱水・乾燥することなく、乾式粉砕が可能となった。
(2)オートクレーブ処理条件として、同一温度(150℃及び180℃)の場合、時間は強度発現から判断すると関係なく、少なくとも1時間処理程度で十分と判断できる。
(3)オートクレーブ温度は180℃と高温になっても、強度的には効果は見られない。
最適な出発原料固化体の配合及びオートクレーブ条件を検討するため以下の試験を行った。
オートクレーブは、モルタル固化材量を確保可能とするため13リットルのオートクレーブを使用した。処理時間は、所定温度に到達した後の保持時間であり、その後圧力が大気圧となった後、試料を取り出した。即ち、昇温で約2時間、減圧で約2時間とした。代表例として、オートクレーブ条件を、温度100〜180℃、S/N=1.0〜3.05、処理時間1時間として実施した結果を、表9に示す。
イ)40N/mm2以上の圧縮強度は、S/Nで2.40以下、少なくとも150℃以上で得られる。このとき、可使時間は、少なくとも1時間以上は確保できる。
ロ)30N/mm2以上で40N/mm2以下の圧縮強度は、S/Nで1.0〜3.05の範囲、オートクレーブ温度125℃以下100℃以上の条件となる。このとき、可使時間は、オートクレーブ温度が125℃より低いときに1時間以下であり、特に100℃又はオートクレーブ養生が無い場合、更に短くなる傾向がある。
以上より、オートクレーブ処理条件は、S/Nで2.4以下1.0以上の範囲で、かつ、温度が少なくとも150℃以上180℃以下が好ましい。ここで、180℃以上は、一般のオートクレーブ処理プロセス(例えば軽量発泡コンクリートなど)では対象としていないので対象外としている。
シリカ成分が90%近傍である比較的高品位のシリカ原料として、表3と同じケイ砂を使用して、同様にオートクレーブ処理(150℃,1時間)を行って得た固化材のモルタル試験を行い、その結果を表10に示す。なお、表10には、備考として、オートクレーブ処理での110℃水分減少(%)とオートクレーブ処理後の固化材性状とを示している。
(1)強度で50N/mm2程度はS/Nで1.0近傍、40N/mm2程度はS/Nで1.5近傍、30N/mm2はS/Nで1.8近傍、そして20N/mm2オーダはS/Nで2.5までとなる。但し、可使時間は、S/Nで1.0から1.5の範囲で30分以下となり、コンクリートでの使用については考慮する必要がある。
(2)オートクレーブ処理中での出発原料固化体は、S/Nが2.5〜3.1で液体化現象を起こしたり、更には生成水ガラス成分が流下/液状化したりする傾向が見られ、オートクレーブ処理として課題を残すものである。
(3)この傾向は、特にシリカ原料が高純度化、非晶質化(アエロジルやシリカヒュームなど)すると著しい。
結論として、オートクレーブ処理で安定した固化/固体処理品として製造するには、シリカ原料として廃ガラスに見られる“不純物”効果が極めて重要と判断される。
次に、出発原料成形体のオートクレーブ処理(150℃/1時間)試験を行い、その結果を表11に示す。
50%濃度苛性ソーダと廃ガラスシリカ原料とのS/Nが1.0〜3.05範囲で配合したスラリーを100〜110℃にて脱水・乾燥・硬化した出発原料固化体の本質は、主に苛性ソーダ成分によるシリカ成分の溶解に伴うケイ酸ソーダを主成分とする反応による。また、出発原料固化体及び出発原料成形体は、オートクレーブ処理によりスラグ水和硬化の発現に寄与する硬化体となる。
解析結果を、表12に示す。表12には、表9に示す配合の内、オートクレーブ処理150℃、1時間での分析例を示す。なお、分析条件は、加速電圧15KV、ビーム径5μとして行った。
残渣成分の化学組成分析結果から、ガラス原料のオートクレーブ処理における溶出過程はCaO成分反応率(%)に基づいて以下の様に考えられる。
イ)設定S/Nが増加するに従い溶出が減少し、S/Nが2.10〜3.05ではほぼ全て未反応ガラス及び残渣部に存在する。
ロ)一方、S/Nが1.0〜1.75ではCaO成分が生成相中に数パーセントオーダで溶出している。
生成相モル比を算出し、ケイ酸ソーダ組成物及び不純成分につき検討する。生成相中のモル比を、表13に示す。
結果として、S/N=1.0以外のS/N配合原料は、オートクレーブ処理を行う結果、極めて小さいSiO2及びNa2O範囲内で、可溶性ケイ酸ナトリウム組成を主要とする固体組成物を生成することが確かめられた。
セメントコンクリートでは、セメント中の全アルカリ量(Na2Oeq=Na2O+0.658K2O)が0.75以下と規定されている。これは、コンクリートのアルカリ骨材反応を抑制するものである。アルカリ骨材反応試験は、JIS A 1164−2001で規格されており、一般にこの方式に従っている。しかし、ここでは、JIS A 1804−2001に従って、アルカリ骨材反応試験を実施した。
水硬性固化材を製造するときの出発原料スラリーの脱水・乾燥工程を削除し、常温でスラリー固化させ、直ちにオートクレーブ投入する方法、及びオートクレーブ処理固化材を乾燥脱水工程無しで直ちに粉砕又は粗砕を可能とする方法につき検討を行った。
一般に市販されている苛性ソーダ溶液(50%溶液)を用いてスラリーを作成する出発原料の常温固化のためには市販スラグ添加が有効であるが、固化するには原料配合固形(シリカ原料+NaOH)に対し20〜30%以上のスラグが必要であり、その結果固化材性能(主に強度発現)が大幅に低下(約50%以下)することがわかっている。
しかし、スラリー常温固化のためには50%程度以上の添加が必要であり、結果として固化材性能は添加量に応じて低下することが判明した。また、ALC粗粒物の入手に当り、価格が高価(kg当に数十円)であり、この方法は中止することとした。
製造された水硬性固化材を使用し、表16に示す配合でモルタルを作製し、常温及びプレキャスト養生(60℃/4時間)での圧縮強度を表17に示す。
1)苛性ソーダ溶液の加熱流動化での原料混合は、苛性ソーダ水溶液濃度でスラリー性状は異なり濃度が高いほど(90%近傍)スラリー流動性は消失し、粉状混合となるが、十分に均質混合は可能である。
2)90%以下ではスラリーは流動化を保ち、流し込み型枠打設は可能となり、かつ容易に室温で硬化する。
3)モルタル強度発現は、上述した出発原料成形体オートクレーブ処理固化材の性能並みであり、またモルタルスラリー可使時間も2時間程度は確保することができた。
4)オートクレーブ処理後の粉末製品化は、特に乾燥・脱水の必要は無いことが確かめられ、固化材製造コスト低減に有効である。
5)但し出発原料常温固化体はオートクレーブ処理でNaOHのNa2O化でNaOH当り約23%の水を放出するので、S/Nモル比に対し粉砕のため若干の乾燥処理が必要となる。
モルタル及びコンクリート硬化体中での空隙水に相当する溶質成分が、鉄筋腐食の促進または抑制に関係すると考えられるため、各種溶質条件下で鉄筋の腐食情況を観察して検討を行った。
試験は、表18に示す海水組成溶液1リットル中に、市販の鉄筋(φ5mm)を浸漬し、エアーポンプで空気を吹き込みながら60℃にて観察を行った。所定材令で発色状況を観察し、併せてpH値(20℃)も測定した。その結果の概要を、表19に示す。粉末固化材には、表17第1行に記載の廃ガラス・スラグ添加6〜9%の固化材を粉末化したものを用いた。
1)海水組成水中での鉄筋腐食は急速に進行し、材令5週ではほぼ表面全域に黒錆(主に下地)および赤錆が発錆し、明らかに鉄筋膨張が見られた。
2)海水中にカルシウムアルカリ(消石灰及び普通セメント)源が共存すると、海水中腐食は抑制される傾向を示す。即ち、消石灰添加のとき、溶液温度及び海水中塩類共存で恐らく過飽和溶液と見られるにもかかわらず、濃度1〜3%では腐食進行することが予想された。一方、普通セメント共存下では、海水溶液中では添加量にかかわらずpH値はほぼ同じ(12.3近傍)であるが、鉄筋腐食が確実に進行することが予想される。高炉スラグ添加では、カルシウムアルカリ添加と異なり、pH値が8〜9と低く、その結果、黒錆と赤錆でほぼ100%腐食され、むしろ海水中より進行することが確かめられた。
3)ナトリウムアルカリ源として、Na2CO3(試薬)、改質水ガラス(S/N=2.3)及び粉末固化材(S/N=1.5)を1〜5%添加した海水での鉄筋腐食は、大幅に抑制されることが確かめられた。
表20は、被粉砕物を10mm程度に粗砕し、助剤としてメタノールを使用し、同一ボール配列で同一条件(投入量及び回転一定)で運転時間を変えて粉末調整を行ったものである。
表21の配合によるコンクリートについて、コンクリートスラリー性状、材令別各種強度、寸法変化を表22に示す。
表22の結果から、セメントコンクリート打設時のコンクリートスラリー性能をクリアし、かつ硬化したコンクリートの品質も十分に満足することが確かめられた。
Claims (5)
- 20乃至50重量%のNa2O成分と、35乃至65重量%のSiO2成分とを含み、原料配合でのSiO2成分とNa2O成分とのモル比である設定S/Nが0.9乃至3.15になるよう、苛性ソーダとシリカ含有無機物粉末とを配合し、混合した後、加圧成形して固化材原料とし、前記固化材原料を130度乃至190度の温度の加圧蒸気下で所定時間養生した後、粉砕することを、特徴とする水硬性固化材の製造方法。
- 20乃至50重量%のNa 2 O成分と、35乃至65重量%のSiO 2 成分とを含み、原料配合でのSiO 2 成分とNa 2 O成分とのモル比である設定S/Nが0.9乃至3.15になるよう、苛性ソーダとシリカ含有無機物粉末とを配合し、混合した後、加圧成形して固化材原料とし、前記固化材原料を360度乃至450度の温度で所定時間加熱した後、粉砕することを、特徴とする水硬性固化材の製造方法。
- 前記シリカ含有無機物粉末は、廃ガラス、廃ケイ砂または天然シリカ質鉱物から成り、SiO2含有量が70%以上であることを、特徴とする請求項1または2記載の水硬性固化材の製造方法。
- 粉砕した後、含水量が少なくとも20重量%以下になるよう脱水または乾燥させることを、特徴とする請求項1、2または3記載の水硬性固化材の製造方法。
- 請求項1、2、3または4記載の水硬性固化材の製造方法により水硬性固化材を製造した後、前記水硬性固化材とスラグとケイ石粉と骨材とを混合し、常温又は40℃乃至80℃で2乃至8時間、蒸気養生することを特徴とする耐酸性コンクリートの製造方法。
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