JP6462383B2 - フライアッシュの活性度指数予測方法、およびフライアッシュ混合セメントの製造方法 - Google Patents
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Description
ところで、一般社団法人石炭エネルギーセンターの石炭灰全国実態調査報告書によれば、平成23年度の石炭灰発生量は1100万トンを超えた。しかも、電源構成が火力発電に大きく依存せざるを得ない我が国では、今後も、石炭灰が多量に発生する状況がしばらく続くと予想される。
この石炭灰の内、セメントやコンクリート混和材(フライアッシュ)として有効活用された量は約20万トンであり、これは石炭灰全体の1.8%に過ぎない。このように、フライアッシュのポゾラン反応性を積極的に活用する分野において、フライアッシュの利用率が低迷している理由の一つとして、フライアッシュの化学組成や粉体特性に強く影響する炭種や燃焼プロセス等の因子が、石炭火力発電所(ライン)毎に異なるため、供給されるフライアッシュの品質が安定しないことが挙げられる。
たとえば、非特許文献1に記載の研究は、フライアッシュの鉱物組成とポゾラン反応性の関係についてであり、ポゾラン反応性に関係するガラス相量と粉末度がほぼ同等なフライアッシュでは、ガラス相中の修飾酸化物を考慮した下記のMの値が、ポゾラン反応性の評価の指標になると報告している。
M=(CaO+MgO+R2O)/SiO2
また、非特許文献2に記載の研究はフライアッシュのASR抑制効果に関するものである。その研究手段として後方散乱電子回折やエネルギー分散型X線分光器等を用いた粒子解析により、フライアッシュのキャラクタリゼーションを行って、フライアッシュを5種類の粒子に分類している。そして、該5種類の粒子のうち、Al2O3−SiO2からなる非晶質粒子については、該粒子の総表面積SiO2量と、ASTM C 1260に規定する14日膨張量との間に負の相関がみられることが報告されている。フライアッシュのASR抑制効果とフライアッシュのポゾラン反応性は密接に関係すると考えられているため、この知見は、粒子構成相で分類された特定のフライアッシュ粒子の特性が、ポゾラン反応性の指標になる可能性を示唆している。
[2]前記フライアッシュ粒子の化学組成の値が、フライアッシュ粒子中のFe2O3の含有率(質量%)および下記(1)式で表されるK値である、前記[1]に記載のフライアッシュの活性度指数予測方法。
K=(CaO+MgO+Na2O+K2O×0.658)/SiO2 ・・・(1)
(式中の化学式の単位は質量%である。)
[3]前記フライアッシュ粒子の幾何学的計量値が、フライアッシュ粒子の外周長、およびフライアッシュ粒子の面積である、前記[1]に記載のフライアッシュの活性度指数予測方法。
ここで、フライアッシュ粒子の外周長、およびフライアッシュ粒子の面積とは、それぞれ、該粒子に真上から平行光線を投光したときに、下の平面に映った該粒子の影の周囲の長さおよび当該影の面積をいう。
[4](a)フライアッシュ全体の非晶質相量の定量工程、(b)フライアッシュ粒子の反射電子像(以下「BSE像」という。)および後方散乱電子回折パターン(以下「EBSDパターン」という。)の取得工程、(c)フライアッシュ粒子の特定工程、(d)フライアッシュ粒子中の粒子構成相の結晶相・非晶質相の判定工程、(e)フライアッシュ粒子を粒子構成相に分類するための化学組成閾値の決定工程、(f)該化学組成閾値と、フライアッシュ粒子の化学組成に基づき、フライアッシュ粒子を分類する、フライアッシュ粒子の分類工程、(g)ムライトと非晶質相からなるフライアッシュ粒子の幾何学的計量値の計測工程、および、(h)活性度指数の予測値の算出工程を含む、前記[1]〜[3]のいずれかに記載のフライアッシュの活性度指数予測方法。
[5]セメントと、前記[1]〜[4]のいずれかに記載のフライアッシュの活性度指数予測方法を用いて予測されたフライアッシュの活性度指数に基づき選択されるコンクリート用フライアッシュとを混合する、フライアッシュ混合セメントの製造方法。
また、本発明のフライアッシュの活性度指数予測方法は、好ましくは、(a)フライアッシュ全体の非晶質相量の定量工程、(b)BSE像およびEBSDパターンの取得工程、(c)フライアッシュ粒子の特定工程、(d)フライアッシュ粒子中の粒子構成相の結晶相・非晶質相の判定工程、(e)フライアッシュ粒子を粒子構成相に分類するための化学組成閾値の決定工程、(f)該化学組成閾値と、フライアッシュ粒子の化学組成に基づき、フライアッシュ粒子を分類する、フライアッシュ粒子の分類工程、(g)ムライトと非晶質相からなるフライアッシュ粒子の幾何学的計量値の計測工程、および、(h)活性度指数の予測値の算出工程を含む方法である。以下、本発明について各工程に分けて具体的に説明する。
該工程は、フライアッシュ全体の非晶質相を定量する工程である。定量方法は、特に限定されないが、精度と簡易性の観点から、好ましくはX線回折/リートベルト解析による方法であり、下記文献Aに記載の方法を用いることができる。
文献A:星野清一ほか「非晶質混和材を含むセメントの鉱物の定量におけるX線回折/リートベルト法の適用」、セメント・コンクリート論文集、第59号、pp.14−21(2005)
該工程は、フライアッシュと樹脂を練り混ぜて硬化させて作製した試料と、走査型電子顕微鏡とを用いて、フライアッシュ粒子のBSE像とEBSDパターンを取得する工程である。前記走査型電子顕微鏡は、好ましくは、微小プローブを作れ、高いエネルギー分解能を得ることができる電界放出型電子銃を備えたものである。また、以下に、BSE像およびEBSDパターンについて説明する。
(i)BSE像
BSE像はグレイレベルの濃淡で表わされ、反射電子が発生した領域に存在する原子の原子番号の平均値を反映し、該値が大きい程、BSE像は明るい、すなわちグレイレベルは淡い。したがって、フライアッシュ粒子の間においてグレイレベルの濃淡の差が大きい場合は、該粒子の間において化学組成の違いが大きいことを示す。後記するように、BSE像はさらに二値化処理した後に、フライアッシュ粒子の特定に用いる。
(ii)EBSDパターン
EBSDパターンは、電子線をフライアッシュ粒子に入射することにより生じ、EBSDパターンが存在する領域は結晶相と、また該パターンが存在しない領域は非晶質相と判定する。
該工程は、前記BSE像において、フライアッシュ粒子を樹脂から分離して抽出するために、フライアッシュ粒子を示すBSE像のグレイレベルに基づき、BSE像を二値化して、フライアッシュ粒子を抽出して特定(識別)する工程である。具体的には、該工程は、前記BSE像のグレイレベルに基づきヒストグラムを作成し、該ヒストグラムからフライアッシュ粒子を抽出するための閾値を決定した後、該閾値を用いてBSE像を二値化処理してフライアッシュ粒子を特定する。例えば、BSEの測定条件が、照射電流300pA、加速電圧15keVである場合、閾値としてグレイレベル値が100以上の領域をフライアッシュ粒子として特定することができる。
該工程は、前記取得したEBSDパターンに基づき、前記特定したフライアッシュ粒子中の粒子構成相が、結晶相か非晶質相かを判定し、結晶相と判定したものは、更にEBSDパターンに基づき結晶相の同定(粒子構成相の特定)を行う工程である。
該工程は、フライアッシュ粒子を5種類の粒子構成相に分類する次の工程等において用いるフライアッシュ粒子の化学組成を測定する工程である。
該粒子構成相は、へマタイト(Hematite、Fe2O3)またはマグネタイト(Magnetite、Fe3O4)と非晶質相が併存する相(以下「HMA相」という。)、α−石英(Low−Quartz、SiO2)を主相とする相(以下「Q相」という。)、ムライト(Mullite、2SiO2・3Al2O3)と非晶質相が併存する相(以下「MA相」という。)、Al2O3−SiO2系非晶質相のみから構成された相(以下「AS−A相」という。)、およびAl2O3−SiO2−CaO系非晶質相のみから構成された相(以下「ASC−A相」という。)である。
結晶相は前項(d)の同定結果に基づき、また非晶質相はエネルギー分散X線分光法(以下「EDS」という。)による化学組成分析値に基づき分類を行い、この分類毎に数十個の代表粒子についてEDSを用いて化学組成を測定し、各フライアッシュ粒子を化学組成のみで前記粒子構成相に分類するために用いる化学組成閾値を決定する。
該工程は、前記決定した化学組成閾値に基づき、EDSを用いて化学組成を測定した全てのフライアッシュ粒子を、前記粒子構成相毎に分類する工程である。
分類されるフライアッシュ粒子数(母数)は、好ましくはフライアッシュ1試料について3000個以上である。
該工程は、前記分類によりMA相に分類されたフライアッシュ粒子の外周長および面積を計測した後、外周長/面積の比を算出する工程である。
該工程は、フライアッシュ全体の非晶質相量と、フライアッシュ粒子を粒子構成相に基づき分類して抽出されたMA相からなるフライアッシュ粒子の化学組成および幾何学的計量値を用いてフライアッシュの活性度指数の予測値を算出する工程である。
該MA相からなるフライアッシュ粒子の化学組成には、Fe2O3量および下記(1)式で示されるK値を用いる。
K=(CaO+MgO+Na2O+K2O×0.658)/SiO2 ・・・(1)
なお、式中の化学式の単位は質量%である。
ここで、該MA相からなるフライアッシュ粒子の化学組成は、MA相からなるフライアッシュ粒子全ての平均値を用いるのが望ましいが、データのバラツキが少ない場合は、数十個の粒子の平均値で代替することも可能である。
また、MA相からなるフライアッシュ粒子の外周長および面積から、粒子の外周長/粒子の面積(以下「外周長/面積比」という。)を算出する。
また、該工程は、例えば、後記の実施例1にその一例を示すように、目的変数として実測した活性度指数を用い、説明変数として、外周長/面積比、Fe2O3量、K値、および非晶質相量を用いて重回帰分析を行い、重回帰式を求め、これ以降は、該重回帰式と、新たな試料から得られた前記説明変数を用いれば、活性度指数の予測値が容易に算出できる。
また、本発明のフライアッシュ混合セメントの製造方法は、セメントと、本発明のコンクリート用フライアッシュとを混合して、フライアッシュ混合セメントを製造する方法である。該セメントは、特に制限されず、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、高炉セメント、シリカセメント、およびエコセメントからなる群から選ばれる1種以上が挙げられる。また、混合装置は、ボールミル、ヘンシェルミキサ、またはナウターミキサ等が挙げられる。
1.使用したフライアッシュ
以下の10種類(4社、6発電所、9ライン)のフライアッシュ(a〜j)を使用した。
なお、表1に前記フライアッシュの化学組成を、表2に前記フライアッシュの粉末度(ブレーン比表面積)を示す。
以下の試験は、主に非特許文献2に記載の方法に準拠して行った。
(1)走査型電子顕微鏡観察用試料の調製
非特許文献2に記載の方法に準じて試料を調製した。具体的には、フライアッシュと低粘性エポキシ樹脂を質量比で1:1の割合で練り混ぜ、樹脂の硬化後に5×5×2mm程度の大きさに切断した。この切断片をクロスセクションポリッシャー(日本電子社製、SM-09020、アルゴンイオンビーム)を用いて、加速電圧6keV、研磨時間10時間の条件で研磨し、最後にカーボンを約5nmの厚さで蒸着した。
該計測は、(a)フライアッシュ全体の非晶質相量の定量工程、(b)フライアッシュ粒子のBSE像、およびEBSDパターンの取得工程、(c)フライアッシュ粒子の特定工程、(d)フライアッシュ粒子中の粒子構成相の結晶相・非晶質相の判定工程、(e)フライアッシュ粒子を粒子構成相に分類するための化学組成閾値の決定工程、(f)該化学組成閾値と、フライアッシュ粒子の化学組成に基づき、フライアッシュ粒子を分類する、フライアッシュ粒子の分類工程、(g)ムライトと非晶質相からなるフライアッシュ粒子の幾何学的計量値の計測工程を経て行われた。以下、各工程に分けて説明する。
各フライアッシュについて、前記文献Aに記載のX線回折/リートベルト解析による方法に準拠して、結晶質相の含有率(質量%)を求めた後、該含有率を100(質量%)から引いて得た値をフライアッシュ全体の非晶質相(glass)量とした。表3にフライアッシュの相組成を示す。
前記調製した試料と、BSE検出器およびEBSD検出器を備えた走査型電子顕微鏡を用いて、フライアッシュ粒子のBSE像とEBSDパターンを取得した。
なお、使用した装置と分析条件を以下に示す。
・走査型電子顕微鏡:日本電子社製、JSM−7001F(電界放出型)
・BSE検出器:日本電子社製、SM−54060RBEI
・BSE測定条件:加速電圧15keV、照射電流 300pA、倍率 1000倍
・EBSD検出器:オックスフォードインストゥルメンツ社製 HKL Channe15
・EBSD測定条件:加速電圧3keV、倍率は観察対象に応じて選択した。
次に、フライアッシュ粒子を抽出するために設けた閾値に基づき、BSE像を二値化して、該二値化した像に基づきBSE像中のフライアッシュ粒子を特定した。具体的には、前記BSE像の測定条件において、グレイレベル値が100以上の粒子像をフライアッシュ粒子として特定した。
前記取得したEBSDパターンに基づき、前記特定したフライアッシュ粒子中の粒子構成相が、結晶相か非晶質相かを判定し、結晶相と判定したものは、更にEBSDパターンに基づき結晶相の同定を行った。
フライアッシュ粒子をHMA相、Q相、MA相、AS−A相、およびASC−A相の5種類の粒子構成相に化学組成のみで分類するための化学組成閾値を求めるために、結晶相は前項(d)での同定結果に基づき、また非晶質相はEDSによる化学組成分析値に基づいて分類を行った。
そうして得られた判定結果に基づいて各粒子構成相に分類されたフライアッシュ粒子の化学組成を、当該分類毎に20個の粒子についてEDSを用いて測定した。なお、粒子数が20個に満たない粒子構成相は、その全数を測定した。
そして、得られた化学組成を基に、粒子構成相の化学組成閾値をフライアッシュa〜j毎に決定した。該決定した化学組成閾値を、次工程の(f)で得られた各粒子構成相の割合と共に、表4に示す。
なお、使用した装置と分析条件を以下に示す。
・EDS検出器:オックスフォードィンストゥルメンツ社製、INCA energy
・EDS測定条件:加速電圧15keV、照射電流 300pA、ワーキングディスタンス 10mm、分析時間 100sec/測定点
表4に記載の粒子構成相の化学組成閾値に基づき、フライアッシュa〜j毎に、それぞれ5000個のフライアッシュ粒子について粒子構成相の分類を行った。その結果を表4に示す。
MA相からなる粒子に分類したフライアッシュ粒子の外周長および面積を、画像解析ソフト(オックスフォードィンストゥルメンツ社製、INCA Feature)を用いて計測した。その結果を、前項(e)で求めたMA相からなる粒子の化学組成と共に、表5に示す。
ここで、MA相からなる粒子については、該粒子の円相当断面径が4μm以下と4μmを超える2つの粒子群に分類した。これらの粒子の割合(単位は体積%)と共に、S値を表6に示す。
フライアッシュa〜jの活性度指数をJIS A 6201「コンクリート用フライアッシュ」に準拠して測定した。その結果を表7に示す。
(1)実施例1
目的変数として表7中の材齢28日および材齢91日の活性度指数を用い、また説明変数としてMA相からなるフライアッシュ粒子の外周長/面積比(表5の外周長/面積の比の値)、Fe2O3量(表5中のFe2O3欄の値)、K値(表5中のK値欄の値)、およびフライアッシュ全体の非晶質相量(表3のglass欄の値)を用いて重回帰分析を行い、それぞれ、材齢28日および材齢91日の活性度指数の予測式である、下記(3)式および(4)式を得た。
また、図1に下記(3)式および(4)式を用いて予測した下記活性度指数の予測値と、活性度指数の実測値との相関を示すグラフを示す。なお、図1の(A)は材齢28日におけるグラフ、(B)は材齢91日におけるグラフである。
得られた予測式の決定係数(R2)は、(3)式が0.808、(4)式が0.905であった。
材齢28日の活性度指数=(外周長/面積比)×23.04+(Fe2O3量)×(−1.39)+(K値)×16.68+(非晶質相量)×0.20+58.40 ・・・(3)
材齢91日の活性度指数=(外周長/面積比)×42.28+(Fe2O3量)×(−3.50)+(K値)×49.90+(非晶質相量)×0.38+51.62 ・・・(4)
目的変数として表7中の材齢28日および材齢91日の活性度指数を用い、また、説明変数として、MA相からなるフライアッシュ粒子の断面径が4μm以下と、4μmを超える2つの粒子群のS値、およびAS−A相の全粒子のS値(表6のS値欄の値)と、これらの粒子群の体積割合(表6の割合欄の値)を用いて重回帰分析を行い、下記(5)式および(6)式を得た。
また、図2に下記(5)式および(6)式を用いて予測した下記活性度指数の予測値と、活性度指数の実測値との相関を示すグラフを示す。なお、図2の(A)は材齢28日におけるグラフ、(B)は材齢91日におけるグラフである。
得られた予測式の決定係数(R2)は、(5)式が0.733、(6)式が0.846であった。
材齢28日の活性度指数=(MA≦4μmのS値)×(MA≦4μmの体積割合)×0.44+(MA>4μmのS値)×(MA>4μmの体積割合)×0.02+(AS−AのS値)×(AS-Aの体積割合)×0.07+70.86 ・・・(5)
材齢91日の活性度指数=(MA≦4μmのS値)×(MA≦4μmの体積割合)×0.78+(MA>4μmのS値)×(MA>4μmの体積割合)×0.15+(AS−AのS値)×(AS-Aの体積割合)×0.18+67.83 ・・・(6)
参考のため、目的変数として表7中の材齢28日および材齢91日の活性度指数を用い、説明変数としてフライアッシュ全体の粉末度(表2中の値)、非晶質相量(表3のglass欄の値)、および塩基度(表1中の塩基度の値)を用いて重回帰分析を行い、下記(7)式および(8)式を得た。これらの説明変数は、一般にフライアッシュの活性に影響するとされている因子である。
また、図3に下記(7)式および(8)式を用いて予測した下記活性度指数の予測値と、活性度指数の実測値との相関を示すグラフを示す。なお、図3の(A)は材齢28日におけるグラフ、(B)は材齢91日におけるグラフである。
得られた予測式の決定係数(R2)は、(7)式が0.621、(8)式が0.807であった。
材齢28日の活性度指数=(粉末度)×0.03+(非晶質相量)×(−0.01)+(塩基度)×8.34+65.73 ・・・(7)
材齢91日の活性度指数=(粉末度)×0.01+(非晶質相量)×(−0.01)+(塩基度)×12.72+65.60 ・・・(8)
Claims (5)
- フライアッシュ全体の非晶質相量と、粒子構成相がムライトおよび非晶質相からなるフライアッシュ粒子の化学組成および幾何学的計量値とを用いて、フライアッシュの活性度指数の予測値を算出する、フライアッシュの活性度指数予測方法。
- 前記フライアッシュ粒子の化学組成の値が、フライアッシュ粒子中のFe2O3の含有率(質量%)および下記(1)式で表されるK値である、請求項1に記載のフライアッシュの活性度指数予測方法。
K=(CaO+MgO+Na2O+K2O×0.658)/SiO2 ・・・(1)
(式中の化学式の単位は質量%である。) - 前記フライアッシュ粒子の幾何学的計量値が、フライアッシュ粒子の外周長、およびフライアッシュ粒子の面積である、請求項1に記載のフライアッシュの活性度指数予測方法。
- (a)フライアッシュ全体の非晶質相量の定量工程、(b)フライアッシュ粒子の反射電子像および後方散乱電子回折パターンの取得工程、(c)フライアッシュ粒子の特定工程、(d)フライアッシュ粒子中の粒子構成相の結晶相・非晶質相の判定工程、(e)フライアッシュ粒子を粒子構成相に分類するための化学組成閾値の決定工程、(f)該化学組成閾値と、フライアッシュ粒子の化学組成に基づき、フライアッシュ粒子を分類する、フライアッシュ粒子の分類工程、(g)ムライトと非晶質相からなるフライアッシュ粒子の幾何学的計量値の計測工程、および、(h)活性度指数の予測値の算出工程を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載のフライアッシュの活性度指数予測方法。
- セメントと、請求項1〜4のいずれか1項に記載のフライアッシュの活性度指数予測方法を用いて予測されたフライアッシュの活性度指数に基づき選択されるコンクリート用フライアッシュとを混合する、フライアッシュ混合セメントの製造方法。
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