JP7132569B2 - Geopolymer solidification material, geopolymer solidification method - Google Patents

Geopolymer solidification material, geopolymer solidification method Download PDF

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Description

本発明は、被固化物を固化させるジオポリマー固化材およびジオポリマー固化方法に関する。 The present invention relates to a geopolymer solidifying material and a geopolymer solidifying method for solidifying an object to be solidified.

砂利や砂を固化材であるセメントによって固化させたコンクリートは、ビル、橋梁、ダムなどの構造体に広く用いられている。一方で、セメントを製造する際に排出される多量の二酸化炭素は、温室効果ガスとして排出削減が求められている。 Concrete, which is obtained by solidifying gravel or sand with cement as a solidifying agent, is widely used in structures such as buildings, bridges, and dams. On the other hand, a large amount of carbon dioxide, which is emitted when manufacturing cement, is required to be reduced as a greenhouse gas.

近年、こうしたセメントに代えて、より環境負荷の少ない固化材として、ジオポリマー固化材が注目されている。従来のジオポリマー固化材は、反応性の高い活性フィラー(充填剤)と呼ばれる焼成処理したメタカオリンを原料とするアルミノシリケートもしくは火山灰などのガラス質原料と、その反応を活性化させるための水酸化ナトリウムなどのアルカリ水溶液と、様々な不活性フィラーと呼ばれる粒子状材料とを混錬して乾燥させることによって、粒子状材料の粒子間にシリケート系ポリマーを生成させて固化させるものである。 In recent years, instead of such cement, a geopolymer solidification material has attracted attention as a solidification material with less environmental impact. Conventional geopolymer solidification materials consist of glassy raw materials such as aluminosilicate or volcanic ash made from calcined metakaolin called a highly reactive active filler (filler), and sodium hydroxide to activate the reaction. and various particulate materials called inert fillers are kneaded and dried to form and solidify silicate-based polymers between particles of the particulate materials.

例えば、特許文献1には、活性フィラーとアルカリ活性剤と骨材、すなわち不活性フィラーとを原料としたジオポリマー組成物が開示されている。このジオポリマー組成物の活性フィラーは、少なくともフライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥のいずれかを含み、アルカリ活性剤は少なくとも水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウムのいずれかを含むとされている。 For example, Patent Literature 1 discloses a geopolymer composition made from an active filler, an alkali activator, and an aggregate, that is, an inert filler. The active filler of the geopolymer composition comprises at least one of fly ash, blast furnace slag, and sewage incineration sludge, and the alkali activator comprises at least one of potassium hydroxide, sodium hydroxide, sodium silicate, and potassium silicate. It is said to contain

また、例えば特許文献2には、ケイ酸ナトリウム水溶液とフライアッシュとを混合して型枠に流しこみ、常温でそのまま固化させるジオポリマー固化方法が開示されている。 Further, for example, Patent Document 2 discloses a geopolymer solidification method in which an aqueous solution of sodium silicate and fly ash are mixed, poured into a mold, and solidified as it is at room temperature.

また、例えば特許文献3には、活性フィラーとアルカリ活性剤を混合する際の温度管理・時間管理を実施するジオポリマーの製造技術が開示されている。ここでは、活性フィラーとしてアルミノシリケートを成分として含む物質、フライアッシュ、高炉スラグ、赤泥、シリカヒューム、下水汚泥焼却灰などの産業廃棄物、天然アルミノシリケート鉱物及びその仮焼物、火山灰を用い、アルカリ活性剤として、高アルカリ性を示す水溶液、すなわちアルカリ水酸化物や炭酸アルカリ塩、アルカリケイ酸塩の水溶液を用いることが記載されている。 Further, for example, Patent Literature 3 discloses a technology for producing a geopolymer in which temperature control and time control are performed when an active filler and an alkali activator are mixed. Here, materials containing aluminosilicate as an active filler, industrial waste such as fly ash, blast furnace slag, red mud, silica fume, sewage sludge incineration ash, natural aluminosilicate minerals and their calcined materials, volcanic ash, alkali It is described that an aqueous solution exhibiting high alkalinity, that is, an aqueous solution of an alkali hydroxide, an alkali carbonate, or an alkali silicate is used as the activator.

また、例えば特許文献4には、活性フィラーにフライアッシュを用い、アルカリ活性剤に水酸化カリウム溶液または水酸化ナトリウム溶液とケイ素粉末又はシリカヒュームとを予め混合したもの用いて固化させるジオポリマー硬化体の製造方法が開示されている。 Further, for example, in Patent Document 4, fly ash is used as an active filler, and a pre-mixed mixture of potassium hydroxide solution or sodium hydroxide solution and silicon powder or silica fume is used as an alkali activator to solidify a geopolymer hardened body. is disclosed.

また、例えば特許文献5には、活性フィラーにフライアッシュ・高炉スラグを、アルカリ活性剤に水酸化ナトリウム溶液を用い、これらを先に混合した後にシリカ源としてシリカの微粒子粉体であるシリカヒュームを徐々に溶解させるジオポリマー製品の製造方法が開示されている。 Further, for example, in Patent Document 5, fly ash/blast furnace slag is used as an active filler, sodium hydroxide solution is used as an alkali activator, and these are first mixed, and then silica fume, which is a fine particle powder of silica, is used as a silica source. Disclosed is a method of making a slowly dissolving geopolymer article.

また、例えば特許文献6には、活性フィラーにフライアッシュや高炉スラグ微粉末、シリカヒュームを用い、アルカリ活性剤に水酸化ナトリウム溶液を用いて骨材(不活性フィラー)と混合し、常温による前養生と蒸気養生によりジオポリマー硬化体を製造する製造方法が開示されている。 In addition, for example, in Patent Document 6, fly ash, ground granulated blast furnace slag, and silica fume are used as the active filler, and sodium hydroxide solution is used as the alkaline activator, mixed with aggregate (inert filler), and pretreated at room temperature. A production method for producing a hardened geopolymer by curing and steam curing is disclosed.

こうした特許文献6では、簡便性及び汎用性の問題を解決するために、活性フィラーであるフライアッシュ、高炉スラグ、シリカヒュームなどの無機粉体とアルカリ活性剤の水酸化ナトリウム溶液、不活性フィラーを混合し、常温による前養生と蒸気養生の2段階養生を用いている。これにより、簡便性及び汎用性を確保しながら、固化開始時間を十分に遅らせることを可能にしている。 In Patent Document 6, in order to solve the problems of convenience and versatility, inorganic powder such as active filler fly ash, blast furnace slag, silica fume, sodium hydroxide solution of alkali activator, and inert filler are mixed. It is mixed and two-stage curing is used: pre-curing at room temperature and steam curing. This makes it possible to sufficiently delay the solidification start time while ensuring simplicity and versatility.

特許第5091519号公報Japanese Patent No. 5091519 特開平8-301639号公報JP-A-8-301639 特許第6018682号公報Japanese Patent No. 6018682 特開2016-222528号公報JP 2016-222528 A 特許第6058474号公報Japanese Patent No. 6058474 特開2017-100905号公報JP 2017-100905 A

しかしながら、上述した特許文献1~6に開示された従来のジオポリマー固化材やその製造方法では、固化開始時間を制御するために、構成材料の事前の加温や一定時間以上の攪拌、および固化のための前養生などが必要となり、固化プロセスが複雑で作業性が悪いという課題があった。
また、いずれもアルカリ活性剤として水溶液を用いるため、混合物の水分量を独立して制御することができず、また、濃度調整のための手段が別途必要であり、取扱性が悪いという課題があった。
However, in the conventional geopolymer solidifying materials and their manufacturing methods disclosed in the above-mentioned Patent Documents 1 to 6, in order to control the solidification start time, the constituent materials are heated in advance, stirred for a certain period of time or longer, and solidified. There was a problem that the solidification process was complicated and the workability was poor.
In addition, since an aqueous solution is used as the alkali activator in each case, the water content of the mixture cannot be controlled independently, and a separate means for adjusting the concentration is required, which poses the problem of poor handling. rice field.

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、固化開始時間を制御でき、かつ固化させる手順が簡便で作業性に優れたジオポリマー固化材、およびこれを用いたジオポリマー固化方法を提供する。 The present invention has been made in consideration of such circumstances, and a geopolymer solidification material that can control the solidification start time, has a simple solidification procedure, and has excellent workability, and a geopolymer solidification material using the same provide a way.

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
即ち、本発明のジオポリマー固化材は、アルカリアルミナ粉末と非晶質シリカ粉末とからなり、前記アルカリアルミナ粉末に対する前記非晶質シリカ粉末の混合比率は、Si/Alのモル比で1.0以上、2.0以下の範囲であることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
That is, the geopolymer solidifying material of the present invention is composed of alkali alumina powder and amorphous silica powder, and the mixing ratio of the amorphous silica powder to the alkali alumina powder is 1.0 in Si/Al molar ratio. It is characterized by being in the range of 0 or more and 2.0 or less .

本発明のジオポリマー固化材は、アルカリアルミナ粉末と非晶質シリカ粉末とを混合した粉末(粉体)であるため、従来のように水溶液を含むジオポリマー固化材と比較して可搬性に優れ、取扱いが容易である。また、粉末(粉体)であるため、従来のようにアルカリ活性剤として水溶液を用いていた場合と比較して、混練物に含まれる水分量を容易に制御することができ、固化に係る作業性を向上させることができる。そして、固化時に被固化物および水と混練するだけで固化させることができるので、固化に係る手間が少なく、作業性に優れたジオポリマー固化材を実現できる。 Since the geopolymer solidifying material of the present invention is a powder (powder) obtained by mixing alkali alumina powder and amorphous silica powder, it has excellent portability compared to conventional geopolymer solidifying materials containing aqueous solutions. , is easy to handle. In addition, since it is a powder (powder), it is possible to easily control the amount of water contained in the kneaded product, compared to the conventional case where an aqueous solution is used as an alkali activator. can improve sexuality. And since it can be solidified only by kneading with the material to be solidified and water at the time of solidification, it is possible to realize a geopolymer solidifying material with excellent workability with less labor involved in solidifying.

また、本発明では、前記アルカリアルミナ粉末は、アルミン酸ナトリウム粉末を含んでいてもよい。 Further, in the present invention, the alkali alumina powder may contain sodium aluminate powder.

また、本発明では、前記アルミン酸ナトリウム粉末は、斜方晶であってもよい。 Further, in the present invention, the sodium aluminate powder may be orthorhombic.

また、本発明では、前記非晶質シリカ粉末は、シリカヒューム粉末、溶融シリカ粉末のうち、少なくとも1つを含んでいてもよい。 Further, in the present invention, the amorphous silica powder may contain at least one of silica fume powder and fused silica powder.

本発明のジオポリマー固化方法は、前記各項記載のジオポリマー固化材を用いたジオポリマー固化方法であって、前記ジオポリマー固化材と水と被固化物とを混練した混練物を形成する混練工程を備えたことを特徴とする。 The geopolymer solidification method of the present invention is a geopolymer solidification method using the geopolymer solidification material described in each of the above items, wherein the geopolymer solidification material, water, and an object to be solidified are kneaded to form a kneaded product. It is characterized by comprising steps.

また、本発明では、前記ジオポリマー固化材に対する前記水の混合比率は、質量比で0.5以上、1.5以下の範囲であってもよい。 Further, in the present invention, the mixing ratio of the water to the geopolymer solidifying material may be in the range of 0.5 or more and 1.5 or less in mass ratio.

また、本発明では、前記混練物を室温以上に加熱する加熱工程を更に備えていてもよい。 Further, the present invention may further include a heating step of heating the kneaded material to room temperature or higher.

また、本発明では、前記被固化物は、放射性廃棄物であってもよい。 Further, in the present invention, the material to be solidified may be radioactive waste.

本発明によれば、固化開始時間を制御でき、かつ固化させる手順が簡便で作業性に優れたジオポリマー固化材、およびこれを用いたジオポリマー固化方法を提供することが可能になる。 According to the present invention, it is possible to provide a geopolymer solidification material that can control the solidification start time, has a simple solidification procedure, and has excellent workability, and a geopolymer solidification method using the same.

アルカリアルミナ粉末と非晶質シリカ粉末による反応生成物を示す顕微鏡写真である。1 is a micrograph showing reaction products of alkali alumina powder and amorphous silica powder. 検証例1で得られた固化物を示す写真である。4 is a photograph showing a solidified product obtained in Verification Example 1. FIG. 検証例3の結果を示すグラフである。10 is a graph showing the results of Verification Example 3; 検証例3の結果を示すグラフである。10 is a graph showing the results of Verification Example 3; 検証例3の結果を示すグラフである。10 is a graph showing the results of Verification Example 3; 検証例3の結果を示す顕微鏡写真である。10 is a micrograph showing the results of Verification Example 3. FIG. 検証例4の結果を示す反射電子像、元素マップおよび輝度分布である。10 shows a backscattered electron image, an elemental map, and a luminance distribution showing results of Verification Example 4. FIG. 検証例5の結果を示す顕微鏡写真および元素マップである。10 is a micrograph and an elemental map showing the results of Verification Example 5. FIG.

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態のジオポリマー固化材およびこれを用いたジオポリマー固化方法について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。 Hereinafter, a geopolymer solidifying material and a geopolymer solidifying method using the same according to one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that each embodiment shown below is specifically described for better understanding of the gist of the invention, and does not limit the invention unless otherwise specified.

(ジオポリマー固化材)
本発明のジオポリマー固化材は、アルカリアルミナ粉末と非晶質シリカ粉末とを混合した粉体の固化材である。ジオポリマー固化材を構成するアルカリアルミナ粉末は、ジオポリマー固化材のアルカリ活性剤であり、例えば、アルミン酸ナトリウム粉末を用いることができる。
(Geopolymer solidification material)
The geopolymer solidifying material of the present invention is a powdery solidifying material obtained by mixing alkali alumina powder and amorphous silica powder. The alkali alumina powder constituting the geopolymer solidifying material is an alkali activator for the geopolymer solidifying material, and for example, sodium aluminate powder can be used.

本実施形態では、アルカリアルミナ粉末として、アルミン酸ナトリウム粉末を用いている。アルミン酸ナトリウムは、ナトリウムとアルミニウムの複酸化物である二酸化ナトリウムアルミニウム(NaAlO)であり、水に易溶で水溶液は加水分解によって強塩基性を示す。 In this embodiment, sodium aluminate powder is used as the alkali alumina powder. Sodium aluminate is sodium aluminum dioxide (NaAlO 2 ), which is a double oxide of sodium and aluminum, is readily soluble in water, and its aqueous solution exhibits strong basicity due to hydrolysis.

ジオポリマー固化材に用いられるアルミン酸ナトリウム粉末は、結晶構造が斜方晶(β相)のものを用いることが好ましい。 The sodium aluminate powder used in the geopolymer solidifying material preferably has an orthorhombic (β phase) crystal structure.

ジオポリマー固化材を構成する非晶質シリカ粉末は、ジオポリマー固化材の活性フィラーである。非晶質シリカ粉末としては、例えば、シリカヒューム粉末、溶融シリカ粉末などを用いることができる。本実施形態では、非晶質シリカ粉末としてシリカヒューム粉末を用いている。シリカヒューム粉末は、例えば、フェロシリコン、金属シリコン、電融ジルコニア等を製造する際に発生するダスト中に含まれる高純度二酸化ケイ素の非晶質微粒子である。 The amorphous silica powder that constitutes the geopolymer solidification material is the active filler of the geopolymer solidification material. Examples of amorphous silica powder that can be used include silica fume powder and fused silica powder. In this embodiment, silica fume powder is used as the amorphous silica powder. Silica fume powder is, for example, amorphous fine particles of high-purity silicon dioxide contained in dust generated during the production of ferrosilicon, metallic silicon, electrofused zirconia, and the like.

ジオポリマー固化材に用いられるシリカヒューム粉末は、例えば平均粒径が100nm以上、45μm以下の範囲が好ましく、本実施形態では150nmのものを用いている。また、本実施形態では、シリカヒューム粉末の比表面積(N2-BET法測定による)は、15m/g以上、30m/g以下の範囲である。 The silica fume powder used for the geopolymer solidifying material preferably has an average particle size of 100 nm or more and 45 μm or less, and in this embodiment, 150 nm is used. Further, in the present embodiment, the specific surface area of the silica fume powder (measured by the N2-BET method) is in the range of 15 m 2 /g or more and 30 m 2 /g or less.

ジオポリマー固化材を構成するアルカリアルミナ粉末と非晶質シリカ粉末との好ましい混合比率は、生成しうる鉱物の化学量論比を元に、Si/Alのモル比で1.0以上、2.0以下の範囲である。こうしたモル混合比率の範囲よりもアルカリアルミナ粉末の割合が多いと、固化後に未反応のアルカリアルミナが多く残留し、活性度の高いアルカリアルミナによって固化体の劣化を招く懸念がある。一方、上述したモル混合比率の範囲よりも非晶質シリカ粉末の割合が多いと、固化後に未反応の非晶質シリカ粉末が多く残留し、固化体の強度低下をもたらす懸念がある。 A preferable mixing ratio of the alkali alumina powder and the amorphous silica powder that constitute the geopolymer solidifying material is 1.0 or more in Si/Al molar ratio based on the stoichiometric ratio of minerals that can be produced. It is in the range of 0 or less. If the ratio of the alkali alumina powder is larger than the molar mixing ratio range, a large amount of unreacted alkali alumina remains after solidification, and there is a concern that the highly active alkali alumina may deteriorate the solidified body. On the other hand, if the ratio of the amorphous silica powder is higher than the range of the molar mixing ratio described above, a large amount of unreacted amorphous silica powder remains after solidification, which may lead to a decrease in the strength of the solidified product.

本発明のジオポリマー固化材は、アルカリアルミナ粉末と非晶質シリカ粉末に加えて、更に水酸化マグネシウム粉末を含んでいてもよい。ジオポリマー固化材として強アルカリ環境で安定な水酸化マグネシウム粉末を更に添加することによって、マグネシウムケイ酸塩の外縁部を有する数十μmの球状の凝集体が形成され、さらにこれらが空隙を均等に充填することで、一種の枯渇効果を発現し、凝集体の持つ電気二重層斥力によりジオポリマー固化をより強固に保つ、構造安定剤の効果を得ていると考えられる。これらの水酸化マグネシウム凝集体の界面はマグネシウムケイ酸塩水和物化が進行し、これによっても固化が強固になっていると思われる。
水酸化マグネシウム粉末の好ましい混合比率は、アルカリアルミナ粉末と非晶質シリカ粉末の合計に対して、質量比で0.7以上、1.8以下の範囲である。
アルカリアルミナ粉末以外の余剰のナトリウム化合物、例えば水酸化ナトリウム塩(NaOH)や塩化ナトリウム(NaCl)を含む場合、塩素などの海水成分の固定が期待できるソーダライトが生成する。
The geopolymer solidifying material of the present invention may further contain magnesium hydroxide powder in addition to alkali alumina powder and amorphous silica powder. By further adding magnesium hydroxide powder, which is stable in a strong alkaline environment, as a geopolymer solidifying material, spherical agglomerates of several tens of μm with outer edges of magnesium silicate are formed, and these aggregates evenly distribute the voids. It is thought that the filling exerts a kind of depletion effect, and the effect of a structural stabilizer that maintains the solidification of the geopolymer more strongly by the electric double layer repulsive force of the aggregates is obtained. Magnesium silicate hydrate progresses at the interfaces of these magnesium hydroxide aggregates, and it is believed that this also strengthens the solidification.
A preferred mixing ratio of the magnesium hydroxide powder is in the range of 0.7 or more and 1.8 or less by mass with respect to the sum of the alkali alumina powder and the amorphous silica powder.
Sodalite, which can be expected to fix seawater components such as chlorine, is produced when excess sodium compounds other than alkaline alumina powder, such as sodium hydroxide (NaOH) and sodium chloride (NaCl), are included.

以上のような構成のジオポリマー固化材は、水を加えて混練し、所定の温度で所定時間静置することにより固化する。ジオポリマー固化材の固化時の化学反応は、以下のとおりである。なお、「Si/Al」は、アルカリアルミナ粉末に含まれるAlと、非晶質シリカ粉末に含まれるSiとのモル比を示している。
(1)Si/Al=1.0の場合
2SiO+2NaAlO→NaAlSi(ネフェリン)
但し、余剰のナトリウム化合物がある場合
3SiO+3NaAlO2+NaOH, Cl=NaSiAl12(OH、Cl)(ソーダライト)
(2)Si/Al=1.5の場合
3SiO+2NaAlO+nHO→NaAlSi10・nHO(ナトロライト)
(3)Si/Al=2.0の場合
2SiO+NaAlO+nHO→NaAlSi・nHO(アナルサイム・チャバザイト)
The geopolymer solidifying material configured as described above is solidified by adding water, kneading the mixture, and allowing the mixture to stand at a predetermined temperature for a predetermined period of time. The chemical reaction during solidification of the geopolymer solidification material is as follows. "Si/Al" indicates the molar ratio between Al contained in the alkali alumina powder and Si contained in the amorphous silica powder.
(1) Si/Al=1.0 2SiO 2 +2NaAlO 2 →Na 2 Al 2 Si 2 O 8 (nepheline)
However, when there is an excess sodium compound 3SiO 2 + 3NaAlO 2 +NaOH, Cl=Na 4 Si 3 Al 3 O 12 (OH, Cl) (sodalite)
(2) Si/Al=1.5 3SiO 2 +2NaAlO 2 +nH 2 O→Na 2 Al 2 Si 2 O 10.nH 2 O (natrolite)
(3) Si/Al=2.0 2SiO 2 +NaAlO 2 +nH 2 O→NaAlSi 2 O 6.nH 2 O ( analcyme chabazite)

図1に反応生成物の観察像を示す。なお、図1(a)は結晶化を伴うSi/Alモル比1.0のジオポリマー反応生成物(150℃、23h)の光学顕微鏡写真、図1(b)はガラス質を伴うSi/Alモル比1.4のジオポリマー反応生成物(150℃、26h)の光学顕微鏡写真、図1(c)はSi/Alモル比1.0、水混練時のジオポリマー固化材結晶質(NEP:ネフェリン、NAT:ナトロライト)の走査電子顕微鏡写真、図1(d)はSi/Alモル比1.0、テトラブチルアミン水酸化物(TBAH)添加後の結晶質の走査電子顕微鏡写真、図1(e)はSi/Alモル比1.0の固化物断面のEPMAの反射電子線像(ZEO: ゼオラム粒子、白色矢印: 結晶化したマトリクス)、図1(f)はSi/Alモル比1.0でTBAH添加後の固化物断面のEPMAの反射電子線像(ZEO: ゼオラム粒子、白色矢印: 結晶化したマトリクス)をそれぞれ示している。 FIG. 1 shows an observed image of the reaction product. In addition, FIG. 1(a) is an optical micrograph of a geopolymer reaction product with a Si/Al molar ratio of 1.0 with crystallization (150 ° C., 23 h), and FIG. 1(b) is a glassy Si/Al An optical micrograph of a geopolymer reaction product (150° C., 26 h) with a molar ratio of 1.4, FIG. Nepheline, NAT: Natrolite), Fig. 1(d) is a scanning electron micrograph of Si/Al molar ratio 1.0, crystalline after addition of tetrabutylamine hydroxide (TBAH), Fig. 1(e) ) is an EPMA backscattered electron image of the cross section of the solidified material with a Si/Al molar ratio of 1.0 (ZEO: zeolum particles, white arrow: crystallized matrix), and FIG. shows backscattered electron beam images of EPMA (ZEO: zeolum particles, white arrows: crystallized matrix) of the cross section of the solidified product after addition of TBAH.

なお、ジオポリマー固化材が固化した時に生成する反応物は、これらに限定されるものではなく、更に別な組成のNa-Al-Si系の酸化物(非晶質又は結晶質ケイ酸塩)が生成することもある。 In addition, the reactants generated when the geopolymer solidifying material is solidified are not limited to these, and Na-Al-Si-based oxides with different compositions (amorphous or crystalline silicate) may also be generated.

本発明のジオポリマー固化材を固化させる際に加える水の量(W)は、ジオポリマー固化材(GP)に対する水(W)の重量混合比(W/GP)として、0.5以上、1.5以下の範囲である。こうした範囲よりも水が少ないとアルミン酸ナトリウムの溶解が不完全になるため、遊離したシラノールイオン([Si(OH)4-)と遊離した4配位構造体もしくはAl-O-Al架橋構造のテトラヒドロキシドアルミン酸イオン([Al(OH),[(OH)AlOAl(OH)2-)成分が不足し、ジオポリマー固化材の固化が充分に進行しない虞がある。例えば、アルミン酸ナトリウムの水に対する溶解度が約500g/Lのとき、水(W)とアルミン酸ナトリウム(NA)の比率W/NAは2.0となる。また、水が多すぎると固化反応に寄与する遊離したAlがギブサイト(Al(OH))として先に沈殿してしまい、ゼオライトなどのSi-Al系二次鉱物に対する過飽和が達成できないと考えられる。 The amount of water (W) added when solidifying the geopolymer solidifying material of the present invention is 0.5 or more and 1 as a weight mixing ratio (W/GP) of water (W) to the geopolymer solidifying material (GP). .5 or less. If the amount of water is less than these ranges, the dissolution of sodium aluminate becomes incomplete, resulting in the formation of free silanol ions ([Si(OH) 4 ] 4− ) and free four-coordinated structures or Al—O—Al bridges. There is a risk that the tetrahydroxide aluminate ion ([Al(OH) 4 ] , [(OH) 3 AlOAl(OH) 3 ] 2− ) component of the structure is insufficient, and solidification of the geopolymer solidifying material does not proceed sufficiently. . For example, when the solubility of sodium aluminate in water is about 500 g/L, the ratio W/NA between water (W) and sodium aluminate (NA) is 2.0. In addition, if the amount of water is too much, free Al that contributes to the solidification reaction will precipitate as gibbsite (Al(OH) 3 ) first, and it is considered that supersaturation of Si—Al secondary minerals such as zeolite cannot be achieved. .

本発明のジオポリマー固化材を用いて固化させる被固化物(非活性フィラー)の例としては、各種骨材、砂利、砂などが挙げられ、これらを固化させて土木、建築用構造体として用いることができる。また、産業廃棄物などを固化して安定化させる目的に使用することもできる。例えば、福島原子力発電所の事故で生じた放射性廃棄物の固化や、九州南部一帯の地層に存在する火山灰由来のシラス(火山ガラス)の固化などにも用いることができる。 Examples of objects to be solidified (inactive fillers) to be solidified using the geopolymer solidifying material of the present invention include various aggregates, gravel, sand, etc., which are solidified and used as structures for civil engineering and construction. be able to. It can also be used for the purpose of solidifying and stabilizing industrial waste. For example, it can be used to solidify radioactive waste generated by the accident at the Fukushima nuclear power plant, and to solidify Shirasu (volcanic glass) derived from volcanic ash existing in the stratum in the southern part of Kyushu.

以上のような構成の本発明のジオポリマー固化材によれば、アルカリアルミナ粉末と非晶質シリカ粉末とを混合した粉末であるため、従来のように水溶液を含むジオポリマー固化材と比較して可搬性に優れ、取扱いが容易である。そして、固化時に被固化物および水と混練するだけで固化させることができるので、固化に係る手間が少なく、作業性に優れたジオポリマー固化材を実現できる。 According to the geopolymer solidifying material of the present invention configured as described above, since it is a powder obtained by mixing alkali alumina powder and amorphous silica powder, it is compared with a conventional geopolymer solidifying material containing an aqueous solution. Excellent portability and easy handling. And since it can be solidified only by kneading with the material to be solidified and water at the time of solidification, it is possible to realize a geopolymer solidifying material with excellent workability with less labor involved in solidifying.

また、本発明のジオポリマー固化材によれば、アルカリアルミナ粉末と非晶質シリカ粉末とを混合した粉末であるため、従来のようにアルカリ活性剤として水溶液を用いていた場合と比較して、混練物に含まれる水分量を容易に制御することができ、固化に係る作業性を向上させることができる。 In addition, according to the geopolymer solidifying material of the present invention, since it is a mixed powder of alkaline alumina powder and amorphous silica powder, compared to the conventional case where an aqueous solution is used as an alkali activator, The amount of water contained in the kneaded material can be easily controlled, and the workability related to solidification can be improved.

(ジオポリマー固化方法)
上述した本発明のジオポリマー固化材を用いて固化を行う際には、まず、被固化物(非活性フィラー)に本発明のジオポリマー固化材および水を加えて混練して混練物を形成する(混練工程)。この時、被固化物(FL)と、ジオポリマー固化材(GP)、および水(W)とGPの重量混合比は、それぞれFL/GP=1.0以上、3.0以下、W/GP=0.5以上、1.5以下の範囲内にすることが好ましい。混練には、セメント混練用のミキサーなどを利用することができる。
(Geopolymer solidification method)
When solidifying using the geopolymer solidifying material of the present invention described above, first, the geopolymer solidifying material of the present invention and water are added to the material to be solidified (inactive filler) and kneaded to form a kneaded material. (Kneading process). At this time, the weight mixing ratio of the material to be solidified (FL), the geopolymer solidifying material (GP), and the water (W) and GP is FL/GP = 1.0 or more, 3.0 or less, W/GP = preferably within the range of 0.5 or more and 1.5 or less. For kneading, a mixer for cement kneading or the like can be used.

次に、この混練物を例えば型枠などに流し込む。そして、例えば、この混練物を太陽光の下に放置することにより、水の存在下でアルカリアルミナ粉末と非晶質シリカ粉末とが反応し、ガラス質が生成し、次に結晶質NaAlSi(ネフェリン)などが生成して被固化物とともに固化体が形成される。 Next, this kneaded product is poured into, for example, a mold. Then, for example, by leaving this kneaded material under sunlight, the alkali alumina powder and the amorphous silica powder react in the presence of water to form a vitreous substance, and then crystalline Na 2 Al. 2 Si 2 O 8 (nepheline) or the like is generated to form a solidified body together with the object to be solidified.

一方、この混練物を室温以上の所定温度まで昇温させて所定時間保持し(加熱工程)、アルカリアルミナ粉末と非晶質シリカ粉末との固化反応を促進させることもできる。所定温度としては、実用上の観点から例えば、80℃以下であることが好ましい。加熱には、赤外線ヒーター、温風ヒーターなど、各種ヒーターを用いることができる。こうした加熱工程を行うことにより、固化に要する時間を短縮し、より容易に固化体を形成することができる。 On the other hand, this kneaded product can be heated to a predetermined temperature above room temperature and held for a predetermined time (heating step) to accelerate the solidification reaction between the alkali alumina powder and the amorphous silica powder. From a practical point of view, the predetermined temperature is preferably 80° C. or lower, for example. Various heaters such as an infrared heater and a hot air heater can be used for heating. By performing such a heating step, the time required for solidification can be shortened and the solidified body can be formed more easily.

以上、本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although one embodiment of the present invention has been described above, this embodiment is presented as an example and is not intended to limit the scope of the invention. This embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and spirit of the invention, as well as the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.

本発明の効果を検証した。
(検証例1)
表1に示す配合割合で、ゼオライト(被固化物)、アルミン酸ナトリウム粉末、シリカヒューム粉末、水を混合し4種類の試料(1)~(4)を得た。
・ゼオライト:「東ソー製 ゼオラム A-3 585」を混練時の吸着熱による加熱を避けるため一度水に浸漬し、60℃にて乾燥させたものを使用(含水率約20wt%)。
・アルミン酸ナトリウム粉末:浅田化学工業製 P100を使用。
・シリカヒューム:「Elkem製 マイクロシリカ940U」を使用。
それぞれの試料を型枠に充てん・脱枠後、250℃にて1.5時間および試料(1-2),(3-2)は3.0時間、それぞれ加熱した。
検証例1の結果を表1に示す。また、試料1-2(試料A)、試料3-2(試料B)の固化物の様子を図2に示す。
The effects of the present invention have been verified.
(Verification example 1)
Zeolite (to-be-solidified), sodium aluminate powder, silica fume powder, and water were mixed at the mixing ratios shown in Table 1 to obtain four types of samples (1) to (4).
- Zeolite: "Tosoh Zeolum A-3 585" was once immersed in water and dried at 60°C to avoid heating due to heat of adsorption during kneading (moisture content: about 20 wt%).
・Sodium aluminate powder: P100 manufactured by Asada Chemical Industry Co., Ltd. is used.
・ Silica fume: Uses “Elkem micro silica 940U”.
After each sample was filled in a mold and removed from the frame, it was heated at 250° C. for 1.5 hours and samples (1-2) and (3-2) for 3.0 hours.
Table 1 shows the results of Verification Example 1. Fig. 2 shows the state of the solidified products of sample 1-2 (sample A) and sample 3-2 (sample B).

Figure 0007132569000001
Figure 0007132569000001

表1に示す結果によれば、1.5時間の加熱で6~13MPa、3時間の加熱で15MPaの圧縮強度の固化物が得られた。 According to the results shown in Table 1, a solidified product with a compressive strength of 6 to 13 MPa was obtained after heating for 1.5 hours, and a solidified product with a compressive strength of 15 MPa was obtained after heating for 3 hours.

(検証例2)
表1に示す配合割合で、ゼオライト(被固化物)、炭酸塩スラリー、アルミン酸ナトリウム粉末、シリカヒューム粉末、水を混合し、3種類の試料(5)~(7)を得た。なお、炭酸塩スラリーは、炭酸カルシウムと水酸化マグネシウムを10wt%塩化ナトリウム水溶液に固形分が10wt%となるように懸濁したものを、脱水ろ過したものである。
そして、それぞれの試料を型枠に充てん・封かんした状態で室温にて約2週間から4か月間養生し固化させた。
検証例2の結果を表2に示す。
(Verification example 2)
Zeolite (material to be solidified), carbonate slurry, sodium aluminate powder, silica fume powder, and water were mixed at the mixing ratios shown in Table 1 to obtain three types of samples (5) to (7). The carbonate slurry was obtained by dehydrating and filtering a suspension of calcium carbonate and magnesium hydroxide in a 10 wt % sodium chloride aqueous solution so that the solid content was 10 wt %.
Then, each sample was filled in a mold and sealed, and cured and solidified at room temperature for about 2 weeks to 4 months.
Table 2 shows the results of Verification Example 2.

Figure 0007132569000002
Figure 0007132569000002

表2に示す結果によれば、圧縮強度は約2週間経過後には5MPa、約4か月後には8MPa~22MPaの圧縮強度の固化物が得られた。 According to the results shown in Table 2, a solidified product having a compressive strength of 5 MPa after about 2 weeks and a compressive strength of 8 MPa to 22 MPa after about 4 months was obtained.

(検証例3)
以下の表3に示す配合比率で、ゼオライト(被固化物)、炭酸塩スラリー、アルミン酸ナトリウム粉末、シリカヒューム粉末、水を混合し、各サンプルを型枠に充てんした後、60℃乾燥雰囲気または150℃水蒸気雰囲気にて養生した。炭酸塩スラリーは検証例2と同じものである。
(Verification example 3)
Zeolite (to be solidified), carbonate slurry, sodium aluminate powder, silica fume powder, and water were mixed in the mixing ratio shown in Table 3 below, and each sample was filled in a mold, and then dried at 60 ° C. or in a dry atmosphere. It was cured in a steam atmosphere at 150°C. The carbonate slurry is the same as in Verification Example 2.

Figure 0007132569000003
Figure 0007132569000003

検証例3の結果を図3~図6に示す。なお、図3(a)は、固化体の圧縮強度(MPa)と、水(W)およびジオポリマー固化材(GP)の質量比W/GP(a)との関係を示している。また、図3(b)は、固化体の圧縮強度(MPa)と、水(W)およびアルミン酸ナトリウム(NA)の質量比W/NA(a)との関係を示している。 The results of Verification Example 3 are shown in FIGS. 3 to 6. FIG. FIG. 3(a) shows the relationship between the compressive strength (MPa) of the solidified body and the mass ratio W/GP(a) of water (W) and the geopolymer solidifying material (GP). Further, FIG. 3(b) shows the relationship between the compressive strength (MPa) of the solidified body and the mass ratio W/NA(a) of water (W) and sodium aluminate (NA).

図4(a)は、固化体の圧縮強度(MPa)と、ジオポリマー固化材(GP)のSi/Alモル比との関係を示している。また、図4(b)は、固化体の圧縮強度(MPa)と密度との関係を示している。また、図4(c)は、固化体の圧縮強度(MPa)と、被固化物(FL)/ジオポリマー固化材(GP)質量比との関係を示している。 FIG. 4(a) shows the relationship between the compressive strength (MPa) of the solidified body and the Si/Al molar ratio of the geopolymer solidified material (GP). Moreover, FIG. 4(b) shows the relationship between the compressive strength (MPa) and the density of the solidified body. In addition, FIG. 4(c) shows the relationship between the compressive strength (MPa) of the solidified material and the solidified material (FL)/geopolymer solidifying material (GP) mass ratio.

これら図4によれば、2.0MPa以上の圧縮強度は、Si/Alモル比が1.0~2.0の間に集中している。スラリー系固化体は密度も圧縮強度も最大であることを示している。また、被固化体(非活性フィラー)では密度依存性は異なっており、水蒸気処理したものは密度が高くても強度は低くなる傾向にある。被固化体の充填比(FL/GP)が小さいとジオポリマー固化材(GP)のみの固化体の強度に漸近することを示している。 According to FIG. 4, compressive strengths of 2.0 MPa or more are concentrated between Si/Al molar ratios of 1.0 to 2.0. It shows that the slurry-based solidified body has the highest density and compressive strength. In addition, the solidification target (non-active filler) has a different density dependence, and the strength tends to be low even if the density is high in the steam-treated one. It shows that when the filling ratio (FL/GP) of the material to be solidified is small, the strength asymptotically approaches the strength of the solidified material of only the geopolymer solidifying material (GP).

図5(a)は、固化体の陽イオン交換容量(CEC、meq/100g)と、被固化物(非活性フィラー)/ジオポリマー固化材の質量比との関係を示している。また、図5(b)は、固化体の陽イオン交換容量(CEC、meq/100g)と、ジオポリマー固化材のSi/Alモル比との関係を示している。 FIG. 5(a) shows the relationship between the cation exchange capacity (CEC, meq/100 g) of the solidified material and the mass ratio of solidified material (inactive filler)/geopolymer solidifying material. Moreover, FIG. 5(b) shows the relationship between the cation exchange capacity (CEC, meq/100 g) of the solidified material and the Si/Al molar ratio of the geopolymer solidified material.

これら図5によれば、養生方法に係わらず、ゼオライト系固化体(GPZ)のCECはゼオラムと同等若しくは上回ることを示している。また、スラリー混合系のSL-GPZでは、ゼオラムと炭酸塩スラリーの混合比率を50wt%:50wt%としても、CECは、ゼオラムの値の50%を上回っていることを示している。以上の結果より、GPZ及びSL-GPZにおいて、固化時に二次的なゼオライト化が進行し、陽イオン交換特性(核種閉じ込め性能)が付与された固化体となっていることがわかる。 According to FIG. 5, regardless of the curing method, the CEC of solidified zeolite (GPZ) is equal to or higher than that of zeolum. In addition, in the slurry mixed system SL-GPZ, even if the mixing ratio of zeolum and carbonate slurry is 50 wt %:50 wt %, the CEC exceeds the value of zeolum by 50%. From the above results, it can be seen that in GPZ and SL-GPZ, secondary zeolitization progresses during solidification, resulting in a solidified body imparted with cation exchange properties (nuclide confinement performance).

図6はアルミン酸ナトリウム粉末とシリカヒュームのみを水と混合し、60℃で24時間加熱した後、室温で養生したものの顕微鏡写真である。このうち、図6(a)は、Si/Alモル比=0.5(比較例)、図6(b)は、Si/Alモル比=1.25である。図6(a)のようにSi/Alモル比=0.5の場合、潮解性の水酸化ナトリウム成分が残留ないし析出し、固化しないことが分かった。Si/Alモル比=0.5(比較例)での反応式は、以下の通りである。
(4)Si/Al=0.5の場合
SiO+2NaAlO+HO→2NaOH+AlSiO
FIG. 6 is a microphotograph of a mixture of sodium aluminate powder and silica fume only mixed with water, heated at 60° C. for 24 hours, and cured at room temperature. Among these, Fig.6 (a) is Si/Al molar ratio =0.5 (comparative example), FIG.6(b) is Si/Al molar ratio =1.25. As shown in FIG. 6A, when the Si/Al molar ratio is 0.5, the deliquescent sodium hydroxide component remains or precipitates and is not solidified. The reaction formula at a Si/Al molar ratio of 0.5 (comparative example) is as follows.
(4) Si/Al=0.5 SiO 2 +2NaAlO 2 +H 2 O→2NaOH+Al 2 SiO 5

(検証例4)
検証例4として、水酸化マグネシウムを投入した効果を確認した。以下の表4に検証例4に用いた試料の配合比率を示す。水酸化マグネシウムは検証例2と同じく炭酸塩スラリーとして添加した。
(Verification example 4)
As Verification Example 4, the effect of adding magnesium hydroxide was confirmed. Table 4 below shows the compounding ratio of the samples used in Verification Example 4. Magnesium hydroxide was added as a carbonate slurry as in Verification Example 2.

Figure 0007132569000004
Figure 0007132569000004

図7に、検証例4の結果を示す。このうち、図7(a)は、ゼオライトと炭酸塩スラリーの混合ジオポリマーの反射電子像(BEI)、SiおよびMgの元素マップ(拡大)である。また、図7(b)は、図7(a)のラインに沿った輝度分布を示し、水酸化マグネシウム粒子の周縁部にはSiが含まれていることを示している。 FIG. 7 shows the results of Verification Example 4. As shown in FIG. Among them, FIG. 7(a) is a backscattered electron image (BEI) of a mixed geopolymer of zeolite and carbonate slurry, and an elemental map of Si and Mg (enlarged). Moreover, FIG. 7(b) shows the luminance distribution along the line of FIG. 7(a), and shows that the peripheral portion of the magnesium hydroxide particles contains Si.

(検証例5)
検証例5として、余剰ナトリウム化合物を含む系でのSi/Alのモル比1.0におけるジオポリマー反応物を観察した。図8に検証例5の結果を示す。なお、図8(a)は、余剰のNaOHを含む系の水酸基ソーダライト=OH-SODとナトロライト=NATを示している。また、図8(b)は、余剰のNaOH-NaClを含む系の塩素を含むソーダライト=Cl-SODとSiに富むゼオライトであるアナルサイム=ANAを示している。また、図8(c)は、図8(a),(b)と同一視野のCl-Si元素マップを示している。
(Verification example 5)
As Verification Example 5, a geopolymer reactant at a Si/Al molar ratio of 1.0 in a system containing excess sodium compounds was observed. The results of Verification Example 5 are shown in FIG. FIG. 8(a) shows hydroxyl group sodalite=OH—SOD and natrolite=NAT in a system containing excess NaOH. FIG. 8(b) shows chlorine-containing sodalite=Cl—SOD and Si-rich zeolite, analcyme=ANA, in a system containing excess NaOH—NaCl. FIG. 8(c) shows a Cl—Si elemental map of the same field of view as FIGS. 8(a) and 8(b).

図8に示す検証例5の結果によれば、ソーダライトが形成されていることが確認でき、塩素などの海水成分の固定が期待できる。ゼオライトと炭酸塩スラリーの混合系において固化できており、炭酸塩スラリーに由来する塩素濃度が高い系においても固化が可能であることが確認された。 According to the results of Verification Example 5 shown in FIG. 8, it can be confirmed that sodalite is formed, and fixation of seawater components such as chlorine can be expected. Solidification was possible in a mixed system of zeolite and carbonate slurry, and it was confirmed that solidification is possible even in a system with a high chlorine concentration derived from carbonate slurry.

Claims (9)

アルカリアルミナ粉末と非晶質シリカ粉末とからなる、固化時にゼオライト化する2種類の粉末のみを混合してなり、
前記アルカリアルミナ粉末に対する前記非晶質シリカ粉末の混合比率は、Si/Alのモル比で1.0以上、2.0以下の範囲であることを特徴とするジオポリマー固化材。
A mixture of only two types of powders, consisting of alkali alumina powder and amorphous silica powder, which turns into zeolite when solidified,
A geopolymer solidifying material , wherein the mixing ratio of the amorphous silica powder to the alkali alumina powder is in the range of 1.0 or more and 2.0 or less in Si/Al molar ratio .
前記アルカリアルミナ粉末は、アルミン酸ナトリウム粉末を含むことを特徴とする請求項1記載のジオポリマー固化材。 2. The geopolymer consolidation material of claim 1, wherein said alkali alumina powder comprises sodium aluminate powder. 前記アルミン酸ナトリウム粉末は、斜方晶であることを特徴とする請求項2記載のジオポリマー固化材。 3. The geopolymer solidifying material of claim 2, wherein the sodium aluminate powder is orthorhombic. 前記非晶質シリカ粉末は、シリカヒューム粉末、溶融シリカ粉末のうち、少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1ないし3いずれか一項記載のジオポリマー固化材。 The geopolymer solidifying material according to any one of claims 1 to 3, wherein the amorphous silica powder includes at least one of silica fume powder and fused silica powder. 前記ジオポリマー固化材は、ナトリウム水酸化物、ナトリウムハロゲン化物のうち、少なくとも一方を更に含むことを特徴とする請求項1ないしいずれか一項記載のジオポリマー固化材。 The geopolymer solidifying material according to any one of claims 1 to 4 , further comprising at least one of sodium hydroxide and sodium halide. 請求項1ないしいずれか一項記載のジオポリマー固化材を用いたジオポリマー固化方法であって、
前記ジオポリマー固化材と水と被固化物とを混練した混練物を形成する混練工程を備えたことを特徴とするジオポリマー固化方法。
A geopolymer solidification method using the geopolymer solidification material according to any one of claims 1 to 5 ,
A geopolymer solidification method, comprising a kneading step of forming a kneaded material by kneading the geopolymer solidification material, water, and an object to be solidified.
前記ジオポリマー固化材に対する前記水の混合比率は、質量比で0.5以上、1.5以下の範囲であることを特徴とする請求項記載のジオポリマー固化方法。 7. The geopolymer solidification method according to claim 6 , wherein the mixing ratio of said water to said geopolymer solidification material is in the range of 0.5 or more and 1.5 or less in mass ratio. 前記混練物を室温以上に加熱する加熱工程を更に備えたことを特徴とする請求項または記載のジオポリマー固化方法。 8. The geopolymer solidification method according to claim 6 , further comprising a heating step of heating the kneaded material to room temperature or higher. 前記被固化物は、放射性廃棄物であることを特徴とする請求項ないしいずれか一項記載のジオポリマー固化方法。 9. The geopolymer solidification method according to any one of claims 6 to 8 , wherein the solidified material is radioactive waste.
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