JP6359322B2 - 水硬性組成物 - Google Patents

Description

本発明は、ポルトランドクリンカー、高炉スラグおよび水酸化カルシウム、さらにセッコウを含む水硬性組成物に関する。詳しくは、高炉スラグを含有する水硬性組成物の凝結性状および長期強度発現を向上させる水硬性組成物に関する。さらに詳しくは、高炉スラグを含有する水硬性組成物を水酸化カルシウムを利用することにより、凝結性状および長期強度発現を向上させる水硬性組成物に関する。

近年の地球環境問題と関連して、廃棄物、副産物等の有効利用は重要な課題となっている。セメント産業、セメント製造設備の特徴を生かし、セメント製造時に原料や燃料として廃棄物を有効利用あるいは処理を行うことは、安全かつ大量処分が可能という観点から有効とされている。

大量生産・大量消費型産業であるセメント産業は、セメント製造時に原料や燃料として廃棄物を有効利用あるいは処理を行い、省資源・省エネルギーで効率よくセメントを製造することが重要とされている。

一方、地球温暖化の観点からすると、セメント産業はＣＯ_２排出量の多い産業位置づけられている。セメント産業で排出されるＣＯ_２は、セメント製造段階での、クリンカー原料となる石灰石の脱炭酸による。セメント産業でのＣＯ_２低減については、クリンカー量を少なくした混合セメントが有効とされる。このような混合セメントの混合成分の一つとしては、高炉スラグを混合した高炉セメントがある。

しかしながら高炉スラグは、セメント用混和材として利用した場合した場合、汎用性セメント（普通ポルトランドセメント）に比べて凝結が遅延するなどの課題があった。

従って本発明は、高炉スラグを含有するセメントにおいても、汎用性セメントと同等の凝結性状を示す水硬性組成物を提供するものである。またさらに、長期強度の増進を付加し得るものである。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を行なった。そして、水酸化カルシウムが、セメントの凝結促進作用を有することと、高炉スラグの潜在水硬性を引出す刺激剤として作用することに着目した。そして、ポルトランドセメントと高炉スラグおよび水酸化カルシウムの組合せを適切なものとすることで、高炉スラグを含有したセメントの性能を向上できるのではないかと考え、さらに検討を進めた結果、本発明を完成した。

即ち本発明は、ポルトランドセメントクリンカー、高炉スラグ、水酸化カルシウムおよびセッコウからなり、
ポルトランドセメントクリンカーが７０〜４０質量部、高炉スラグが３０〜６０質量部（但し、ポルトランドセメントクリンカーと高炉スラグの合計を１００質量部とする。）、水酸化カルシウムが１〜３質量部、セッコウが全組成物あたりＳＯ_３換算で、１〜１．１質量％である水硬性組成物である。

本発明によれば、高炉スラグを含有するセメントとしても汎用性セメントと同等の凝結性状が得られるとともに長期強度発現性の向上が得られる。

なお、水酸化カルシウムの添加量が多くなりすぎても効果が得られなくなる。水酸化カルシウムは凝結促進に作用することは知られているが、凝結促進されるといえども、必ずしも強度発現が増進されるとは限らない。

本発明で使用するポルトランドセメントクリンカーは、セメントとした際に汎用性性状を示す公知のクリンカーを採用することが可能であり、具体的には、普通ポルトランドセメント用クリンカーや早強ポルトランドセメント用クリンカー等が該当する。ポルトランドセメントクリンカーの粉末度は、汎用的に使用される範囲のものであれば良く、３０００〜５０００ｃｍ^２／ｇに調整されていることが好ましく、セッコウを添加して調整されても良い。

本発明で使用する上記セメントクリンカーを製造する方法は特に限定されることがなく、公知のセメント（クリンカー）原料を、所望の各鉱物比率及び係数となるように所定の割合で調製混合し、公知の方法（例えば、ＳＰキルンやＮＳＰキルン等）で焼成することにより容易に得ることができる。

当該セメント原料の調製混合方法も公知の方法を適宜採用すればよい。例えば、事前に廃棄物、副産物およびその他の原料（石灰石、生石灰、消石灰等のＣａＯ源、珪石等のＳｉＯ_２源、粘土等のＡｌ_２Ｏ_３源、鉄源等のＦｅ_２Ｏ_３源など）の組成を測定し、これら原料中の各成分割合から上記範囲になるように各原料の調合割合を計算し、その割合で原料を調合すればよい。

なお、本発明で使用するセメントクリンカーの製造に用いる原料は、従来セメントクリンカーの製造において使用される原料と同様なものが特に制限なく使用される。廃棄物、副産物等を利用することも、無論可能である。

本発明で使用するセメントクリンカーの製造において、廃棄物、副産物等から一種以上を使用することは、廃棄物、副産物等の有効利用を促進する観点から好ましいことである。使用可能な廃棄物・副産物をより具体的に例示すると、高炉スラグ、製鋼スラグ、非鉄鉱滓、石炭灰、下水汚泥、浄水汚泥、製紙スラッジ、建設発生土、鋳物砂、ばいじん、焼却飛灰、溶融飛灰、塩素バイパスダスト、木屑、廃白土、ボタ、廃タイヤ、貝殻、都市ごみやその焼却灰等が挙げられる（なお、これらの中には、セメント原料になるとともに熱エネルギー源となるものもある）。

本発明の水硬性組成物は、上記ポルトランドセメントクリンカーに加えて、高炉スラグ水酸化カルシウムおよびセッコウを必須成分として含む。

本発明の水硬性組成物に用いる高炉スラグは、セメント混合材として公知の高炉スラグを用いることができる。具体的には、製鉄所より副産物として副生する高炉スラグを粉砕したものであれば制限なく使用することができる。高炉スラグの粉末度は、汎用的に使用される範囲のものであれば良く、３０００〜８０００ｃｍ^２／ｇに調整されていることが好ましい。該粉末度は、セッコウを添加してから調整されても良い。

本発明における高炉スラグの使用量は３０〜６０質量部（但し、ポルトランドセメントクリンカーと高炉スラグの合計を１００質量部とする。）である。高炉スラグの混合量を減らすことにより初期強度発現は向上するが、混合量が３０％未満となると下記の水酸化カルシウムによる長期強度の増進効果が得られない。一方、６０質量部を超えると、水酸化カルシウムの添加によっても十分な凝結促進効果を得ることが難しくなる。

上記高炉スラグを混合すると、凝結が遅延するなどの影響がでる。そこで本発明では、この影響をなくすため水酸化カルシウムを加える。

使用する水酸化カルシウムについては、乾式の粉末状のものでも湿式のスラリー状のものでもよく、限定されることなく使用できる。粉末度は、見かけ上の平均粒子径が１０μｍ以下であれば良く、さらに小さい粒子が二次粒子を形成しているような場合でも、見かけ上の平均粒子径が１０μｍ以下であれば良い。好ましくは、一次粒子として１μｍ以下のものである。

水酸化カルシウムの混合量は、上記のポルトランドセメントクリンカーと高炉スラグの合計を１００質量部に対して１〜５質量部である。１質量部未満では十分な効果が得られない。５質量部を超えると、むしろ凝結促進効果が得られず、さらには強度発現が低下する傾向が再度でてくる。さらに好ましくは１〜３質量部であり、この範囲では長期強度発現性が特に良好なものとなる。

使用するセッコウについては、二水セッコウ、半水セッコウ、無水セッコウ等のセメント製造原料として公知のセッコウが特に制限なく使用できる。具体的には、排煙脱硫セッコウ、リン酸セッコウ等の副産二水セッコウや天然の二水セッコウ、半水セッコウ、ＩＩ型無水セッコウ等が挙げられる。石膏の添加量は、全組成物あたりＳＯ_３換算で、１〜５質量％となるように添加する。１〜３質量％となるような添加量がより好ましい。

本発明の水硬性組成物を構成するポルトランドセメントクリンカーと高炉スラグおよびセッコウの粉末度を調製するための粉砕方法については、公知の技術が特に制限なく使用でき、各成分を個別に粉砕後、混合しても良いし、混合後に粉砕してもよい。粉砕機としてはボールミル、竪型ミル等が使用できる。水酸化カルシウムは、別途混合することが好ましい。

本発明の水硬性組成物は、混合セメントと同等として使用することができる。また、土壌固化材等の固化材の構成成分として使用することも可能である。

以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

普通ポルトランドセメントクリンカーにＳＯ_３換算で２％となるようにセッコウを添加し、Ｂｌａｉｎｅ法による比表面積が３５００ｃｍ^２／ｇとなるように混合粉砕した。高炉スラグは、Ｂｌａｉｎｅ法による比表面積が４０００ｃｍ^２／ｇとなるように粉砕し、一部の高炉スラグにはセッコウを２％添加して最終的な組成物のＳＯ_３量を調整した。水酸化カルシウムは、０．１μｍ以下の一次粒子が凝集した二次粒子として存在し、見かけの平均粒径が７．５μｍ程度のものを用いた。上記のセッコウを含むポルトランドセメントクリンカーと高炉スラグおよび水酸化カルシウムを用いて各水硬性組成物を製造した。得られた水硬性組成物の凝結時間、モルタル圧縮強さを測定した。

なお、各種測定方法は以下の方法による。
（１）凝結時間の測定：ＪＩＳ Ｒ ５２０１に準拠する方法により測定した。
（２）モルタル圧縮強さの測定：ＪＩＳ Ｒ ５２０１に準拠する方法により測定した。

各実施例の混合材添加量、モルタル圧縮強さ、凝結時間の結果を表１に示す。なお高炉スラグ量は、ポルトランドセメントクリンカーとの合計が１００質量部となる量である。また水酸化カルシウムの量はポルトランドセメントクリンカーと高炉スラグの合計量を１００質量部としたときの量、セッコウ（ＳＯ_３）量は全組成物当たりの量である。

参考例及び比較例１、４より高炉スラグの添加量の増加により、凝結の遅延傾向が見られる。比較例４、実施例１、比較例８および比較例５は全組成物あたりＳＯ_３換算で１．１％のセッコウを含み、高炉スラグ含有量が４５質量部のものに対して、水酸化カルシウムの添加量を変化させた実験結果であり、比較例６、比較例９、１０および比較例７は、全組成物あたりＳＯ_３換算で２．０％のセッコウを含み、高炉スラグ含有量４５質量部のものに対して、水酸化カルシウムの添加量を変化させた実験結果である。水酸化カルシウムの添加量が１〜５％の範囲では、長期強度発現が普通ポルトランドセメント（参考例）より高く、や水酸化カルシウムを添加しない例（比較例４）に対して同等以上の値を示すが、水酸化カルシウムの添加量が８％になると逆に強度低下をもたらしている。特に実施例１では、参考例や比較例４以上の長期強度を示している。また、凝結の促進効果も１〜５％の範囲で得られているが、多すぎるとまたその効果を失うことが分かる（比較例５、比較例７）。

比較例１〜３は、全組成物あたりＳＯ_３換算で１．６％のセッコウを含み、高炉スラグ含有量２０質量部のものに水酸化カルシウムを添加したものである。水酸化カルシウムによる凝結促進効果は得られるものの、長期強度の増進効果を得ることはできず、水酸化カルシウム量の増加とともに強度は低下する。

Claims (1)

1. ポルトランドセメントクリンカー、高炉スラグ、水酸化カルシウムおよびセッコウからなり、
   ポルトランドセメントクリンカーが７０〜４０質量部、高炉スラグが３０〜６０質量部（但し、ポルトランドセメントクリンカーと高炉スラグの合計を１００質量部とする。）、水酸化カルシウムが１〜３質量部、セッコウが全組成物あたりＳＯ_３換算で、１〜１．１質量％である水硬性組成物。