JP7231987B2 - セメント組成物及びその製造方法 - Google Patents
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Description
しかし、近年、普通ポルトランドセメントクリンカの原料として廃棄物の使用量が増加していることに起因する、普通ポルトランドセメントクリンカ中の3CaO・Al2O3の増加や、高い強度発現性の要求等によって、上述した水和熱の数値を満たさない(具体的には、水和熱が基準値よりも高い)普通ポルトランドセメントが製造される場合が増えている。
セメント組成物の水和熱を低減することができる技術として、特許文献1には、C2S(2CaO・SiO2)100重量部に対して、C2AS(2CaO・Al2O3・SiO2)を10~100重量部含有し、かつ、C3A(3CaO・Al2O3)の含有量が20重量部以下であることを特徴とする焼成物が記載されている。また、特許文献1には、該焼成物を粉砕してなるセメント混和材が記載されている。
本発明の目的は、容易に製造することができ、強度発現性に優れ、かつ、水和熱の小さい、セメント組成物を提供することである。
すなわち、本発明は、以下の[1]~[4]を提供するものである。
[1] 3CaO・Al2O3の含有率が10.5質量%を超え、14.0質量%以下である普通ポルトランドセメントクリンカ粉砕物と、二水石膏及び半水石膏の少なくともいずれか一方と、II型無水石膏粉末と、石灰石粉末、高炉スラグ微粉末、及びフライアッシュの中から選ばれる1種以上の無機粉末、を含むセメント組成物であって、上記普通ポルトランドセメントクリンカ粉砕物と、二水石膏及び半水石膏の少なくともいずれか一方の合計100質量%中のSO3の割合が1.5~2.7質量%であり、上記セメント組成物中、II型無水石膏粉末の割合がSO3換算で0.6~3.5質量%、及び、上記無機粉末の割合が1.0~15.0質量%であることを特徴とするセメント組成物。
[2] 上記セメント組成物に含まれる、上記普通ポルトランドセメントクリンカ粉砕物、及び、二水石膏及び半水石膏の少なくともいずれか一方が、以下の条件を満たすものである前記[1]に記載のセメント組成物。
上記普通ポルトランドセメントクリンカ粉砕物と、上記二水石膏及び半水石膏の少なくともいずれか一方とによって、普通ポルトランドセメントを調製した場合に、該普通ポルトランドセメントの「JIS R 5203:2015(セメントの水和熱測定方法)」に準拠して測定した水和熱が、材齢7日で350J/gを超える、及び、材齢28日で400J/gを超える、の少なくともいずれか一方を満たすこと
[4] 上記普通ポルトランドセメントは、該普通ポルトランドセメントの「JIS R 5203:2015(セメントの水和熱測定方法)」に準拠して測定した水和熱が、材齢7日で350J/gを超える、及び、材齢28日で400J/gを超える、の少なくともいずれか一方を満たすものである前記[3]に記載のセメント組成物の製造方法。
本発明において、セメント組成物とは、ペースト、モルタルまたはコンクリートを調製するための他の材料(減水剤、消泡剤、収縮低減剤等の各種セメント混和剤や、細骨材、粗骨材、及び、水等)は含まれないものとする。
本発明で用いられる普通ポルトランドセメントクリンカ粉砕物と、二水石膏及び半水石膏の少なくともいずれか一方を含む材料として、3CaO・Al2O3の含有率が10.5質量%を超え、14.0質量%以下である普通ポルトランドセメントを使用してもよい。
セメント組成物中の、半水石膏の量と、二水石膏及び半水石膏の合計量とのSO3換算の質量比(半水石膏のSO3換算の量/(二水石膏及び半水石膏の合計のSO3換算の量))は、セメント組成物の流動性及び強度発現性の観点から、好ましくは0.3~0.95、より好ましくは0.4~0.9、特に好ましくは0.5~0.85である。
II型無水石膏粉末のブレーン比表面積は、好ましくは3,000~15,000cm2/g、より好ましくは3,300~14,000cm2/g、特に好ましくは3,500~13,000cm2/gである。該ブレーン比表面積が3,000cm2/g以上であれば、セメント組成物の強度発現性がより向上する。該ブレーン比表面積が15,000cm2/g以下であれば、セメント組成物の流動性がより向上する。
なお、本発明では、無水石膏としてII型無水石膏を用いている。II型無水石膏以外の無水石膏として、可溶性無水石膏(III型無水石膏)があるが、可溶性無水石膏を用いた場合、水和熱を低減する効果は見られない。
無機粉末が石灰石粉末である場合、石灰石粉末のブレーン比表面積は、好ましくは3,000~10,000cm2/g、より好ましくは3,300~8,000cm2/g、さらに好ましくは3,500~7,000cm2/g、特に好ましくは3,800~6,000cm2/gである。該ブレーン比表面積が3,000cm2/g以上であれば、セメント組成物の強度発現性がより向上する。該ブレーン比表面積が10,000cm2/g以下であれば、セメント組成物の流動性がより向上する。
一方、高炉スラグ微粉末及びフライアッシュの各ブレーン比表面積は、好ましくは3,000~6,000cm2/g、より好ましくは3,100~5,000cm2/g、特に好ましくは3,200~4,500cm2/gである。該ブレーン比表面積が3,000cm2/g以上であれば、セメント組成物の強度発現性がより向上する。該ブレーン比表面積が6,000cm2/g以下であれば、セメント組成物の流動性がより向上する。
セメント組成物中の、全SO3の割合は、水和熱を低減する観点からは、好ましくは2.5質量%以上、より好ましくは2.7質量%以上、さらに好ましくは3.0質量%以上、特に好ましくは3.2質量%以上である。また、上記割合は、強度発現性の向上の観点からは、好ましくは6.0質量%以下、より好ましくは5.7質量%以下、さらに好ましくは5.5質量%以下、特に好ましくは5.2質量%以下である。
(a)セメント組成物に含まれる、普通ポルトランドセメントクリンカ粉砕物と、二水石膏及び半水石膏の少なくともいずれか一方からなる原料を用いて、普通ポルトランドセメント(原料の配合割合は、セメント組成物における、普通ポルトランドセメントクリンカ粉砕物と、二水石膏及び半水石膏の少なくともいずれか一方の配合割合と同じもの)を調製した場合、該普通ポルトランドセメントの「JIS R 5203:2015(セメントの水和熱測定方法)」に準拠して測定した材齢7日の水和熱が350J/gを超える(好ましくは353J/g以上、より好ましくは355J/g以上である)こと
(b)セメント組成物に含まれる、普通ポルトランドセメントクリンカ粉砕物と、二水石膏及び半水石膏の少なくともいずれか一方からなる原料を用いて、普通ポルトランドセメント(原料の配合割合は、セメント組成物における、普通ポルトランドセメントクリンカ粉砕物と、二水石膏及び半水石膏の少なくともいずれか一方の配合割合と同じもの)を調製した場合、該普通ポルトランドセメントの「JIS R 5203:2015(セメントの水和熱測定方法)」に準拠して測定した材齢28日の水和熱が400J/gを超える(好ましくは405J/g以上、より好ましくは410J/g以上である)こと
なお、上記条件を満たさない普通ポルトランドセメントは、該普通ポルトランドセメントの水和熱が、上述の国土交通省の通達における水和熱の数値を満足するもの(材齢7日における水和熱が350J/g以下であり、かつ、材齢28日における水和熱が400J/g以下であるもの)であることから、本発明を適用する必要性が乏しくなる。
普通ポルトランドセメントクリンカ中の2CaO・SiO2(ビーライト;本明細書中、「C2S」ともいう。)の含有率は、好ましくは9.0~23.0質量%、より好ましくは10.0~20.0質量%である。C2Sの含有率が9.0質量%未満であるポルトランドセメントクリンカは、一般的に早強ポルトランドセメントクリンカに相当するものであり、早強ポルトランドセメントは、上述の国土交通省の通達における水和熱の数値を満たす必要性のないものである。C2Sの含有率が23.0質量%以下であれば、セメント組成物の短期材齢における強度発現性が向上する。
普通ポルトランドセメントクリンカ中の4CaO・Al2O3・Fe2O3(フェライト相;本明細書中、「C4AF」ともいう。)の含有率は、好ましくは7.5~10.5質量%、より好ましくは8.0~10.0質量%である。C4AFの含有率が7.5質量%以上であれば、セメント組成物の水和熱をより小さくすることができる。C4AFの含有率が10.5質量%以下であれば、現状の普通ポルトランドセメントと色調を合わせることができる。
C3S(質量%)=(4.07×CaO(質量%))-(7.60×SiO2(質量%))-(6.72×Al2O3(質量%))-(1.43×Fe2O3(質量%))
C2S(質量%)=(2.87×SiO2(質量%))-(0.754×C3S(質量%))
C3A(質量%)=(2.65×Al2O3(質量%))-(1.69×Fe2O3(質量%))
C4AF(質量%)=3.04×Fe2O3(質量%)
また、本発明のセメント組成物の「JIS R 5203:2015(セメントの水和熱測定方法)」に準拠して測定した、材齢28日における水和熱は、好ましくは400J/g以下、より好ましくは398J/g以下、特に好ましくは395J/g以下である。
また、原料として、普通ポルトランドセメントクリンカ粉砕物と、二水石膏及び半水石膏の少なくともいずれか一方を含む普通ポルトランドセメントであって、該普通ポルトランドセメント中のSO3の割合が1.5~2.7質量%である普通ポルトランドセメントを使用し、該普通ポルトランドセメントと、II型無水石膏粉末と、無機粉末を混合して本発明のセメント組成物を製造してもよい。
上記普通ポルトランドセメントは、本発明の効果をより大きく発揮する観点から、該普通ポルトランドセメントの「JIS R 5203:2015(セメントの水和熱測定方法)」に準拠して測定した材齢7日の水和熱が350J/gを超える(好ましくは353J/g以上、より好ましくは355J/g以上)、及び、「JIS R 5203:2015(セメントの水和熱測定方法)」に準拠して測定した材齢28日の水和熱が400J/gを超える(好ましくは405J/g以上、より好ましくは410J/g以上)、の少なくともいずれか一方を満たすものであることが好ましい。
このような普通ポルトランドセメントは、上述の国土交通省の通達における水和熱の数値を満たさないもの(材齢7日における水和熱が350J/g以下であり、かつ、材齢28日における水和熱が400J/g以下であるもの)であるが、本発明のセメント組成物は、このような普通ポルトランドセメントを使用しているにもかかわらず、水和熱を小さくすることができる。
(i)普通ポルトランドセメントクリンカと、二水石膏及び半水石膏の少なくともいずれか一方と、石灰石、高炉スラグ、及びフライアッシュの中から選ばれる1種以上を同時に粉砕した後、得られた粉砕物にII型無水石膏粉末を添加し、混合する方法
(ii)普通ポルトランドセメントクリンカと、二水石膏及び半水石膏の少なくともいずれか一方を同時粉砕した後、得られた粉砕物に、石灰石粉末、高炉スラグ微粉末、及びフライアッシュの中から選ばれる1種以上の無機粉末(以下、単に「無機粉末」ともいう。)とII型無水石膏粉末を添加し、混合する方法
(iii)普通ポルトランドセメントクリンカと、二水石膏及び半水石膏の少なくともいずれか一方と、無機粉末と、II型無水石膏粉末を同時に混合しながら粉砕する方法
なお、上記(i)~(iii)における粉砕手段としては、特に限定されるものではなく、例えば、ボールミル等が挙げられる。
[使用材料]
(1)普通ポルトランドセメントA~B(表1中、「セメントA~B」と示す。):普通ポルトランドセメントクリンカ粉砕物と半水石膏と二水石膏の混合物、太平洋セメント社製、詳細は表1参照
(2)II型無水石膏粉末:ブレーン比表面積4,220cm2/g
(3)石灰石粉末:ブレーン比表面積4,190cm2/g
(4)高炉スラグ微粉末:ブレーン比表面積4,210cm2/g
(5)フライアッシュ:ブレーン比表面積3,690cm2/g
(6)細骨材:「JIS R 5201:2015(セメントの物理試験方法)」に規定される標準砂
(7)水:水道水
[水和熱]
「JIS R 5203:2015(セメントの水和熱測定方法)」に準拠して、材齢7日、及び、材齢28日の水和熱を測定した。
[モルタルの圧縮強さ(表2~5中、「圧縮強さ」と示す。)]
「JIS R 5201:2015(セメントの物理試験方法)」に準拠して、材齢7日、及び、材齢28日におけるモルタル圧縮強さを測定した。
表2に示す種類の上記材料(普通ポルトランドセメントA、無機粉末、II型無水石膏粉末)を、ミキサーを用いて混合して、セメント組成物を得た。混合は各材料を同時にミキサーに添加して行った。
無機粉末及びII型無水石膏粉末の配合量は、セメント組成物中の無機粉末またはII型無水石膏粉末の含有率が、表2に示す数値となる量とした。
得られたセメント組成物のSO3の含有率、モルタルの圧縮強さ、及び、材齢7日、28日における水和熱を測定した。
結果を表2に示す。なお、実施例1~14におけるセメント組成物のブレーン比表面積は3,290~3,390cm2/gである。
表3に示す種類の上記材料(普通ポルトランドセメントA、無機粉末、II型無水石膏粉末)を、ミキサーを用いて混合して、セメント組成物を得た。混合は各材料を同時にミキサーに添加して行った。
無機粉末及びII型無水石膏粉末の配合量は、セメント組成物中の無機粉末またはII型無水石膏粉末の含有率が、表3に示す数値となる量とした。なお、比較例1~13におけるセメント組成物のブレーン比表面積は3,280~3,390cm2/gである。また、表3中、II型無水石膏粉末の欄が「-」となっているものは、II型無水石膏粉末を添加しなかったことを示す。
得られたセメント組成物のSO3の含有率等を、実施例1と同様にして測定した。
[参考例1]
普通ポルトランドセメントAのモルタルの圧縮強さ、材齢7日、28日における水和熱を、実施例1と同様にして測定した。
結果を表3に示す。
実施例1~14のセメント組成物は、普通ポルトランドセメントAを用いているが、該セメント組成物の材齢7日における水和熱は349J/g以下であり、材齢28日における水和熱は399J/g以下であり、参考例1と比較して、水和熱が低減されており、かつ、国土交通省の通達における水和熱の数値(材齢7日:350J/g以下、材齢28日:400J/g以下)を満たしていることがわかる。
また、II型無水石膏粉末を含むが、その配合割合が多い(4.8~5.1質量%)セメント組成物(比較例5、9、11)では、セメント組成物のモルタルの圧縮強さが小さい(材齢7日:35.3~38.3N/mm2、材齢28日:48.7~52.0N/mm2)ことがわかる。
表4に示す種類、及び、配合割合の上記材料(普通ポルトランドセメントB、無機粉末、II型無水石膏粉末)を用いて、実施例1と同様にしてセメント組成物を得た。
[比較例14~19]
表4に示す種類、及び、配合割合の上記材料(普通ポルトランドセメントB、無機粉末、II型無水石膏粉末)を用いて、比較例1と同様にしてセメント組成物を得た。なお、実施例15~20、比較例14~19におけるセメント組成物のブレーン比表面積は3,290~3,390cm2/gである。
得られた各セメント組成物のSO3の含有率、モルタルの圧縮強さ、材齢7日、28日における水和熱を、実施例1と同様にして測定した。
[参考例2]
普通ポルトランドセメントBのモルタルの圧縮強さ、材齢7日、28日における水和熱を、実施例1と同様にして測定した。
結果を表4に示す。
実施例15~20のセメント組成物は、普通ポルトランドセメントBを用いているが、該セメント組成物の材齢7日における水和熱は346J/g以下、材齢28日における水和熱は399J/g以下であり、参考例2と比較して、水和熱が低減されており、かつ、国土交通省の通達における水和熱の数値(材齢7日:350J/g以下、材齢28日:400J/g以下)を満たしていることがわかる。
また、II型無水石膏粉末を含まないセメント組成物(比較例14、16、18)では、該セメント組成物の材齢7日における水和熱、及び、材齢28日における水和熱が、国土交通省の通達における水和熱の数値(材齢7日:350J/g以下、材齢28日:400J/g以下)を満たしていないことがわかる。
また、II型無水石膏粉末を含むが、その配合割合が大きい(4.8~5.1質量%)セメント組成物(比較例15、17、19)では、セメント組成物のモルタルの圧縮強さが小さい(材齢7日:36.6~39.0N/mm2、材齢28日:48.7~51.9N/mm2)ことがわかる。
Claims (4)
- 3CaO・Al2O3の含有率が10.5質量%を超え、14.0質量%以下である普通ポルトランドセメントクリンカ粉砕物と、二水石膏及び半水石膏と、II型無水石膏粉末と、石灰石粉末及びフライアッシュ、を含むセメント組成物であって、
上記普通ポルトランドセメントクリンカ粉砕物と、上記二水石膏及び半水石膏の合計100質量%中のSO3の割合が1.5~2.7質量%であり、
上記セメント組成物中、上記普通ポルトランドセメントクリンカ粉砕物と上記二水石膏及び半水石膏の合計の割合が87.6~98.0質量%、上記II型無水石膏粉末の割合がSO3換算で0.6~3.5質量%、及び、上記石灰石粉末及びフライアッシュの合計の割合が1.0~11.4質量%であり、
上記半水石膏の量と、上記二水石膏及び半水石膏の合計量とのSO3換算の質量比(半水石膏のSO3換算の量/(二水石膏及び半水石膏の合計のSO3換算の量))が、0.3~0.95であり、
上記II型無水石膏粉末のブレーン比表面積が、3,000~15,000cm2/gであり、
上記石灰石粉末のブレーン比表面積が、3,000~10,000cm2/gであり、
上記フライアッシュのブレーン比表面積が、3,000~6,000cm2/gであり、
上記セメント組成物のブレーン比表面積が、3,000~3,700cm2/gであることを特徴とするセメント組成物。 - 上記セメント組成物に含まれる、上記普通ポルトランドセメントクリンカ粉砕物、及び、上記二水石膏及び半水石膏が、以下の条件を満たすものである請求項1に記載のセメント組成物。
上記普通ポルトランドセメントクリンカ粉砕物と、上記二水石膏及び半水石膏とによって、普通ポルトランドセメントを調製した場合に、該普通ポルトランドセメント(ただし、該普通ポルトランドセメントにおける、上記普通ポルトランドセメントクリンカ粉砕物と、上記二水石膏及び半水石膏との配合割合は、上記セメント組成物におけるものと同じである。)の「JIS R 5203:2015(セメントの水和熱測定方法)」に準拠して測定した水和熱が、材齢7日で350J/gを超える、及び、材齢28日で400J/gを超える、の少なくともいずれか一方を満たすこと - 3CaO・Al2O3の含有率が10.5質量%を超え、14.0質量%以下である普通ポルトランドセメントクリンカ粉砕物と、二水石膏及び半水石膏を含む普通ポルトランドセメントであって、該普通ポルトランドセメント中のSO3の割合が1.5~2.7質量%である普通ポルトランドセメントと、II型無水石膏粉末と、石灰石粉末及びフライアッシュを混合して、セメント組成物を製造するための方法であって、
上記セメント組成物中、上記普通ポルトランドセメントクリンカ粉砕物と上記二水石膏及び半水石膏の合計の割合が87.6~98.0質量%、上記II型無水石膏粉末の割合がSO3換算で0.6~3.5質量%、及び、上記石灰石粉末及びフライアッシュの合計の割合が1.0~11.4質量%であり、
上記半水石膏の量と、上記二水石膏及び半水石膏の合計量とのSO3換算の質量比(半水石膏のSO3換算の量/(二水石膏及び半水石膏の合計のSO3換算の量))が、0.3~0.95であり、
上記II型無水石膏粉末のブレーン比表面積が、3,000~15,000cm2/gであり、
上記石灰石粉末のブレーン比表面積が、3,000~10,000cm2/gであり、
上記フライアッシュのブレーン比表面積が、3,000~6,000cm2/gであり、
上記セメント組成物のブレーン比表面積が、3,000~3,700cm2/gであることを特徴とするセメント組成物の製造方法。 - 上記普通ポルトランドセメントは、該普通ポルトランドセメントの「JIS R 5203:2015(セメントの水和熱測定方法)」に準拠して測定した水和熱が、材齢7日で350J/gを超える、及び、材齢28日で400J/gを超える、の少なくともいずれか一方を満たすものである請求項3に記載のセメント組成物の製造方法。
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