JP7479900B2 - セメント組成物の製造方法及び製造装置、並びにセメント組成物 - Google Patents
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Description
本発明は、セメント組成物の製造方法及び製造装置、並びにセメント組成物に関するものである。
セメント組成物は、一般的には、セメントクリンカ粉末、石膏粉末及び混合材粉末を混合することにより製造される。下記特許文献１（実施例１４）には、この混合材粉末として石灰石粉末及びフライアッシュを用いることが開示されている。
ところで、近年では、セメント焼成装置からの二酸化炭素排出量を少なく抑えるため、セメント焼成装置におけるセメントクリンカ製造量を低減し、セメント組成物においてセメントクリンカ粉末含有量を低減してフライアッシュ含有量を増加させることが検討されている。しかし、このようにセメント組成物においてフライアッシュ含有量が増加すると、セメント組成物の組成によってはセメント組成物の強度発現性が充分に高くならないおそれがある。
そこで、セメント組成物の強度発現性を充分に高くするために、セメント焼成工程においてセメントクリンカの品質（例えば、セメントクリンカにおける複数の鉱物それぞれの組成）を調整することが考えられる。しかし、このような調整を行う場合には、セメントキルンにさらに多くの燃料を投入する必要が生じるため、セメント焼成装置におけるセメントクリンカ製造量を低減しても、セメント焼成装置からの二酸化炭素排出量が増加するおそれがある。
そこで、本発明は、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、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、フライアッシュによって強度発現性が高まるセメント組成物を提供することを目的とする。
本発明の第一項目は、次のようなセメント組成物の製造方法に係るものである。この製造方法は、演算工程及び混合工程を備える。前記演算工程においては、フライアッシュのNa2O含有率（質量％）、K2O含有率（質量％）、SO3含有率（質量％）及び比表面積（cm2/g）をそれぞれＮ、Ｋ、Ｓ及びＢと定義した場合の物性値「（Ｎ＋Ｋ×0.658＋Ｓ）×Ｂ」を算出する。前記混合工程においては、前記物性値が6400以上（好ましくは6410以上）である前記フライアッシュをセメントクリンカ粉末、石膏粉末及び石灰石粉末と混合することにより、セメント組成物を製造する。
上記第一項目によれば、セメント組成物を水と混練すると、まず石膏粉末からSO3が溶出される。このSO3によりセメントクリンカ粉末中のアルミネートの急激な水和（瞬結）が抑制され、セメントクリンカ粉末に含まれるアルミネートが石灰石粉末と反応することにより、セメントクリンカ粉末からもSO3が溶出される。一方、フライアッシュは、セメントクリンカ粉末、石膏粉末及び石灰石粉末により形成される隙間を充填する。したがって、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュが一体となった状態において、セメントクリンカ粉末及び石膏粉末から溶出されるSO3によりフライアッシュの水和が促進されるため、高強度のセメント混練物を製造することができる。つまり、上記第一項目によれば、フライアッシュによってセメント組成物の強度発現性を高めることができる。
本発明の第二項目は、上記第一項目において次の内容を含むものである。すなわち、前記混合工程においては、前記物性値が6700以上9600以下（好ましくは6766以上9565以下）である前記フライアッシュを前記セメントクリンカ粉末、前記石膏粉末及び前記石灰石粉末と混合することにより、前記セメント組成物を製造する。
上記第二項目によれば、セメント組成物を水と混練すると、セメントクリンカ粉末、石膏粉末及び石灰石粉末により形成される隙間をフライアッシュがさらに効率よく充填し、かつ、セメントクリンカ粉末及び石膏粉末から溶出されるSO3によりフライアッシュの水和がさらに効率よく促進されるため、さらに高強度のセメント混練物を製造することができる。つまり、上記第二項目によれば、フライアッシュによってセメント組成物の強度発現性をさらに高めることができる。
本発明の第三項目は、上記第二項目において次の内容を含むものである。すなわち、前記セメントクリンカ粉末のSO3含有率は1.0質量％以上（好ましくは1.06質量％以上）である。
上記第三項目によれば、セメント組成物を水と混練すると、セメントクリンカ粉末からさらに多くのSO3が溶出されるため、このSO3によりフライアッシュの水和がさらに効率よく促進され、さらに高強度のセメント混練物を製造することができる。つまり、上記第三項目によれば、フライアッシュによってセメント組成物の強度発現性をさらに高めることができる。
本発明の第四項目は、前記セメントクリンカ粉末に含まれるSO3をクリンカSO3と定義し、前記石膏粉末に含まれるSO3を石膏SO3と定義し、前記セメント組成物の全量に対する前記クリンカSO3の割合をＳ１質量％と定義し、前記セメント組成物の全量に対する前記石膏SO3の割合をＳ２質量％と定義した場合、上記第二項目又は上記第三項目において次の内容を含むものである。すなわち、前記Ｓ１質量％と前記Ｓ２質量％との合計値が2.00質量％以上2.50質量％以下（好ましくは2.209質量％以上2.403質量％以下）であり、かつ、前記Ｓ１質量％に対する前記Ｓ２質量％の割合が0.80以上1.20以下（好ましくは0.998以上1.084以下）である。
上記第四項目によれば、セメント組成物において、多くのクリンカSO3と多くの石膏SO3とが互いに均衡して含まれている。このため、このセメント組成物を水と混練すると、混練初期段階においては石膏粉末からSO3を溶出させ、かつ、混練初期段階経過後においてはセメントクリンカ粉末からSO3を溶出させることができる。このため、混練段階全体において、石膏粉末及びセメントクリンカ粉末から途切れることなく連続的にSO3を溶出させ、このSO3により途切れることなく連続的にフライアッシュの水和を促進させることができる。つまり、上記第四項目によれば、フライアッシュによってセメント組成物の強度発現性をさらに高めることができる。
本発明の第五項目は、次のようなセメント組成物の製造装置に係るものである。この製造装置は、制御装置、混合装置及び回収装置を備える。前記制御装置は、演算部及び切替部を有している。前記演算部は、フライアッシュのNa2O含有率（質量％）、K2O含有率（質量％）、SO3含有率（質量％）及び比表面積（cm2/g）をそれぞれN、K、S及びBと定義した場合の物性値「（N＋K×0.658＋S）×B」を算出する。前記混合装置は、前記物性値が6400以上（好ましくは6410以上）である前記フライアッシュをセメントクリンカ粉末、石膏粉末及び石灰石粉末と混合することにより、セメント組成物を製造するものである。前記切替部は、前記物性値が6400未満（前記物性値が6410以上の前記フライアッシュを前記混合装置において混合する場合には6410未満）である前記フライアッシュを前記回収装置に排出する。
上記第五項目によれば、上記第一項目と同様、フライアッシュによってセメント組成物の強度発現性を高めることができる。
本発明の第六項目は、次のようなセメント組成物に係るものである。このセメント組成物は、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなる。前記セメントクリンカ粉末及び前記石膏粉末は、前記混合物において合計で90.0質量％以上の割合で含まれている。前記フライアッシュのNa2O含有率（質量％）、K2O含有率（質量％）、SO3含有率（質量％）及び比表面積（cm2/g）をそれぞれＮ、Ｋ、Ｓ及びＢと定義した場合の物性値「（Ｎ＋Ｋ×0.658＋Ｓ）×Ｂ」が6700以上9600以下（好ましくは6766以上9565以下）である。前記セメントクリンカ粉末に含まれるSO3をクリンカSO3と定義し、前記石膏粉末に含まれるSO3を石膏SO3と定義し、前記混合物の全量に対する前記クリンカSO3の割合をＳ１質量％と定義し、前記混合物の全量に対する前記石膏SO3の割合をＳ２質量％と定義した場合、前記Ｓ１質量％と前記Ｓ２質量％との合計値が2.00質量％以上2.50質量％以下（好ましくは2.209質量％以上2.403質量％以下）であり、かつ、前記Ｓ１質量％に対する前記Ｓ２質量％の割合が0.80以上1.20以下（好ましくは0.998以上1.084以下）である。
上記第六項目によれば、上記第四項目と同様、フライアッシュによってセメント組成物の強度発現性を高めることができる。
以上のように、本発明によれば、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、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、フライアッシュによって強度発現性が高まるセメント組成物を提供することができる。
まず、本発明の一実施形態に係るセメント組成物の製造装置について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るセメント組成物の製造装置を示す全体構成図である。図１に示すように、この製造装置１は、いわゆるセメント仕上装置であって、クリンカサイロ２、仕上ミル３、分級装置４、混合装置５、セメントサイロ６、制御装置７及び回収装置８を備える。
クリンカサイロ２は、セメント焼成装置（不図示）から排出されるクリンカ（不図示）を貯蔵する。仕上ミル３は、クリンカサイロ２から排出されるクリンカＣを石膏Ｇと共に粉砕して粉砕物Ｄを製造する。分級装置４は、仕上ミル３から排出される粉砕物Ｄを分級して粗粉Ｒと微粉Ｆとに分離する。混合装置５は、分級装置４から排出される微粉Ｆを石灰石粉末Ｌ及びフライアッシュＡと共に混合し、混合物Ｍ（セメント組成物）を製造する。セメントサイロ６は、混合装置５から排出される混合物Ｍを貯蔵する。また、分級装置４は、粗粉Ｒを仕上ミル３に戻す。仕上ミル３は、分級装置４から粗粉Ｒを戻された場合には、クリンカＣを石膏Ｇ及び粗粉Ｒと共に粉砕して粉砕物Ｄを製造する。
図２は、図１に示す製造装置１が備える制御装置７の模式図である。図２に示すように、制御装置７は、分析部７ａ、演算部７ｂ及び切替部７ｃを有する。ここで、フライアッシュＡのNa2O含有率（質量％）、K2O含有率（質量％）、SO3含有率（質量％）及び比表面積（cm2/g）をそれぞれＮ、Ｋ、Ｓ及びＢと定義する。分析部７ａは、フライアッシュＡのＮ、Ｋ、Ｓ及びＢを測定して測定データＳ１を取得する。そして、分析部７ａは、この測定データＳ１を演算部７ｂに送信する。演算部７ｂは、物性値（混合材物性値）「（Ｎ＋Ｋ×0.658＋Ｓ）×Ｂ」を測定データＳ１に基づいて算出する。そして、演算部７ｂは、この物性値の算出データＳ２を切替部７ｃに送信する。切替部７ｃは、算出データＳ２に基づいて制御装置７の内部におけるフライアッシュＡの搬送ルート（不図示）を切り替える。
具体的には、切替部７ｃは、フライアッシュＡの上記物性値が6400以上（好ましくは6410以上）の範囲にある場合、より好ましくは、フライアッシュＡの上記物性値が6700以上9600以下（さらに好ましくは6766以上9565以下）の範囲にある場合、制御装置７の内部におけるフライアッシュＡの搬送ルートを、フライアッシュＡが制御装置７から混合装置５に供給されるように維持する。一方、切替部７ｃは、このような範囲にフライアッシュＡの上記物性値がない場合、上記搬送ルートを切り替えることにより、フライアッシュＡが制御装置７から回収装置８に排出されるようにする。
次に、本発明の一実施形態に係るセメント組成物の製造方法について説明する。ここでは、この製造方法として、図１に示す製造装置１を使用する場合を例にとって説明する。
この製造方法は、演算工程（図２に示す演算部７ｂによる演算工程）及び混合工程（図１に示す混合装置５による混合工程）を備える。前記演算工程において、フライアッシュ（図１に示すフライアッシュＡ）の上記物性値を算出する。前記フライアッシュの上記物性値が6400以上（好ましくは6410以上）である場合、より好ましくは、前記フライアッシュの上記物性値が6700以上9600以下（さらに好ましくは6766以上9565以下）である場合に、前記混合工程において、前記フライアッシュをセメントクリンカ粉末（図１に示す微粉Ｆに含まれるクリンカＣの粉末）、石膏粉末（図１に示す微粉Ｆに含まれる石膏Ｇの粉末）及び石灰石粉末（図１に示す石灰石粉末Ｌ）と混合してセメント組成物（図１に示す混合物Ｍ）を製造する。
さらに、好ましくは、前記セメントクリンカ粉末のSO3含有率は1.0質量％以上（好ましくは1.06質量％以上）である。ここで、前記セメントクリンカ粉末に含まれるSO3をクリンカSO3と定義し、前記石膏粉末に含まれるSO3を石膏SO3と定義し、前記セメント組成物の全量に対する前記クリンカSO3の割合をＳ１質量％と定義し、前記セメント組成物の全量に対する前記石膏SO3の割合をＳ２質量％と定義した場合、好ましくは、前記Ｓ１質量％と前記Ｓ２質量％との合計値が2.00質量％以上2.50質量％以下（好ましくは2.209質量％以上2.403質量％以下）であり、かつ、前記Ｓ１質量％に対する前記Ｓ２質量％の割合が0.80以上1.20以下（好ましくは0.998以上1.084以下）である。さらに好ましくは、前記Ｓ１質量％と前記Ｓ２質量％との合計値が2.307質量％以上2.347質量％以下であり、かつ、前記Ｓ１質量％に対する前記Ｓ２質量％の割合が1.046以上1.084以下である。
さらに、本発明の一実施形態に係るセメント組成物について説明する。ここでは、このセメント組成物として、図１に示す製造装置１によって製造された混合物Ｍを例にとって説明する。
このセメント組成物は、セメントクリンカ粉末（図１に示すクリンカＣの粉末）、石膏粉末（図１に示す石膏Ｇの粉末）、石灰石粉末（図１に示す石灰石粉末Ｌ）及びフライアッシュ（図１に示すフライアッシュＡ）を含む混合物（図１に示す混合物Ｍ）からなる。前記フライアッシュのNa2O含有率（質量％）、K2O含有率（質量％）、SO3含有率（質量％）及び比表面積（cm2/g）をそれぞれN、K、S及びBと定義した場合の物性値（混合材物性値）「（N＋K×0.658＋S）×B」は、6410以上（好ましくは6410以上）であり、より好ましくは、6700以上9600以下（さらに好ましくは6766以上9565以下）である。好ましくは、前記セメントクリンカ粉末及び前記石膏粉末は、前記混合物において合計で90.0質量％以上の割合で含まれている。
好ましくは、前記セメントクリンカ粉末のSO3含有率は1.0質量％以上（より好ましくは1.06質量％以上）である。前記セメントクリンカ粉末に含まれるSO3をクリンカSO3と定義し、前記石膏粉末に含まれるSO3を石膏SO3と定義し、前記混合物の全量に対する前記クリンカSO3の割合をＳ１質量％と定義し、前記混合物の全量に対する前記石膏SO3の割合をＳ２質量％と定義した場合、好ましくは、前記Ｓ１質量％と前記Ｓ２質量％との合計値が2.00質量％以上2.50質量％以下（好ましくは2.209質量％以上2.403質量％以下）であり、かつ、前記Ｓ１質量％に対する前記Ｓ２質量％の割合が0.80以上1.20以下（好ましくは0.998以上1.084以下）である。さらに好ましくは、前記Ｓ１質量％と前記Ｓ２質量％との合計値が2.307質量％以上2.347質量％以下であり、かつ、前記Ｓ１質量％に対する前記Ｓ２質量％の割合が1.046以上1.084以下である。
なお、本発明に係るセメント組成物は、図１に示す製造装置１とは異なる構成の装置により製造されるものであってもよい。また、上記実施形態において、石灰石粉末Ｌを混合装置５に供給することに代えて／と共に、石灰石（不図示）をクリンカＣ及び石膏Ｇと共に仕上ミル３に供給してもよい。
次に、本発明に係るセメント組成物、並びに、セメント組成物の製造方法及び製造装置の実験例について説明する。この実験例は、セメントクリンカ粉末(Cli1～Cli8)、石膏粉末及び混合材粉末（石灰石粉末、フライアッシュ及び高炉スラグ粉末）を様々な割合で混合して様々なセメント組成物を製造し、これらセメント組成物それぞれから製造したセメント混練物の「材齢２８日の圧縮強さ」を測定したものである。表１～表６は、この実験例において使用したセメント組成物の原料の組成又は物性を原料ごとに示している。表７～表１１は、この実験例において製造したセメント組成物の組成と強度発現性との関係を実験例ごとに示している。表１２は、この実験例において製造したセメント組成物の物性値を実験例ごとに示している。
表１及び表２は、上記実験例において使用したセメントクリンカ粉末（図１に示すクリンカＣの粉末に相当）における各化合物の含有率（質量％）を示している。表１及び表２において、ig.loss(Ignition Loss)は、強熱原料（揮発性物質）を意味している。Na2Oeqは、全アルカリを意味している。全アルカリは、式「Na2O＋0.658×K2O」により算出される値である。f.CaOは、遊離酸化カルシウムを意味している。遊離酸化カルシウムとは、セメント原料を焼成した時に二酸化ケイ素や酸化アルミニウムと反応せずに残った酸化カルシウムをいう。
表３及び表４は、上記実験例において使用したセメントクリンカ粉末のモジュラスを示している。表３及び表４において、HM(Hydraulic Modulus)は水硬率を示しており、SM(Silica Modulus)はケイ酸率を示しており、IM(Iron Modulus)は鉄率を示しており、AI(Activity Index)は活動係数を示している。HMは、(SiO2+Al2O3+Fe2O3)に対するCaOの割合である。SMは、(Al2O3+Fe2O3)に対するSiO2の割合である。IMは、Fe2O3に対するAl2O3の割合である。AIは、Al2O3に対するSiO2の割合である。
また、表３及び表４は、上記実験例において使用したセメントクリンカ粉末の鉱物組成も示している。表３及び表４に示す鉱物組成は、ボーグ式(Bogue式)により算出したものである。表３及び表４において、C3Sはケイ酸三カルシウム(3CaO・SiO2)であり、C2Sはケイ酸二カルシウム(2CaO・SiO2)であり、C3Aはアルミン酸三カルシウム（3CaO・Al2O3）であり、C4AFは鉄アルミン酸四カルシウム(4CaO・Al2O3・Fe2O3)である。
さらに、表３及び表４は、上記実験例において使用したセメントクリンカ粉末の強度発現指標値及び強度発現促進指標値も示している。強度発現指標値は、セメントクリンカ粉末における強度発現促進指標値に対する強度発現阻害指標値の割合を示している。強度発現促進指標値は、セメントクリンカ粉末における全アルカリの含有率である。強度発現阻害指標値は、セメントクリンカ粉末におけるTiO2、MnO及びP2O5の合計含有率（質量％）である。
表５は、上記実験例において使用したフライアッシュの化学組成、物性値（混合材物性値）、比表面積（ブレ－ン比表面積）及び活性度指数を示している。この活性度指数は、材齢28日の時点におけるものである。
表６は、上記実験例において使用した石灰石粉末及び高炉スラグ粉末の化学組成、物性値（混合材物性値）、比表面積（ブレーン比表面積）及び活性度指数を示している。この活性度指数は、材齢28日の時点におけるものである。
表７は、セメント組成物の組成及び比表面積とセメント混練物の圧縮強さとの関係を示している。具体的には、表７は、セメント組成物において使用したセメントクリンカ粉末の種類、セメント組成物のSO3換算石膏粉末含有率（質量％）、セメント組成物の石灰石粉末含有率（質量％）、セメント組成物の比表面積（ブレーン比表面積：cm2/g）、並びに、製造したセメント組成物から製造したセメント混練物の「材齢28日における圧縮強さ(N/mm2)」の関係を示している。実験例Ｒ１～Ｒ８においては、セメント組成物は、セメントクリンカ粉末、石膏粉末及び石灰石粉末のみを含んでおり、フライアッシュや高炉スラグ粉末を含んでいない。
表８及び表９は、セメント組成物の組成とセメント混練物の圧縮強さ及び圧縮強さ比との関係を示している。具体的には、表８及び表９は、セメント組成物において使用したセメントクリンカ粉末の種類、セメント組成物の石灰石粉末含有率（質量％）、セメント組成物において使用したフライアッシュの種類、セメント組成物のフライアッシュ含有率（質量％）、並びに、製造したセメント組成物から製造したセメント混練物の「材齢28日における圧縮強さ(N/mm2)」及び圧縮強さ比の関係を示している。セメント組成物は、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含むものである。
表８において、実験例Ａ１～Ａ８におけるセメント組成物は、表７に示す実験例Ｒ１におけるセメント組成物に石灰石粉末及びフライアッシュを添加することにより製造したものである。実験例Ａ９～Ａ１４におけるセメント組成物は、表７に示す実験例Ｒ２におけるセメント組成物に石灰石粉末及びフライアッシュを添加することにより製造したものである。実験例Ａ１５～Ａ２０におけるセメント組成物は、表７に示す実験例Ｒ３におけるセメント組成物に石灰石粉末及びフライアッシュを添加することにより製造したものである。実験例Ａ２１～Ａ２４におけるセメント組成物は、表７に示す実験例Ｒ４におけるセメント組成物に石灰石粉末及びフライアッシュを添加することにより製造したものである。実験例Ａ２５～Ａ２８におけるセメント組成物は、表７に示す実験例Ｒ５におけるセメント組成物に石灰石粉末及びフライアッシュを添加することにより製造したものである。
表８において、実験例Ａ１～Ａ８における「圧縮強さ比」は、表７に示す実験例Ｒ１における「圧縮強さ」に対する実験例Ａ１～Ａ８における「圧縮強さ」の比（百分率）である。実験例Ａ９～Ａ１４における「圧縮強さ比」は、表７に示す実験例Ｒ２における「圧縮強さ」に対する実験例Ａ９～Ａ１４における「圧縮強さ」の比（百分率）である。実験例Ａ１５～Ａ２０における「圧縮強さ比」は、表７に示す実験例Ｒ３における「圧縮強さ」に対する実験例Ａ１５～Ａ２０における「圧縮強さ」の比（百分率）である。実験例Ａ２１～Ａ２４における「圧縮強さ比」は、表７に示す実験例Ｒ４における「圧縮強さ」に対する実験例Ａ２１～Ａ２４における「圧縮強さ」の比（百分率）である。実験例Ａ２５～Ａ２８における「圧縮強さ比」は、表７に示す実験例Ｒ５における「圧縮強さ」に対する実験例Ａ２５～Ａ２８における「圧縮強さ」の比（百分率）である。
表５に示すように、FA1の混合材物性値は6410であり、FA2の混合材物性値は6766であり、FA3の混合材物性値は7896であり、FA4の混合材物性値は9565である。
表８において、実験例Ａ１～Ａ４の組、実験例Ａ５～Ａ８の組は、次のことを示している。すなわち、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物において、このフライアッシュの混合材物性値が6410(FA1)、6766(FA2)、7896(FA3)と増加するにつれてセメント混練物の圧縮強さが強くなる。しかし、このフライアッシュの混合材物性値が9565(FA4)まで増加してしまうと、このフライアッシュの混合材物性値が7896(FA3)である場合に比較してセメント混練物の圧縮強さが弱くなる。ただし、このフライアッシュの混合材物性値が9565(FA4)であっても、このフライアッシュの混合材物性値が6410(FA1)である場合に比較すればセメント混練物の圧縮強さは強くなる。
表８において、実験例Ａ９～Ａ１４の組、実験例Ａ１５～Ａ２０の組、実験例Ａ２１～Ａ２４の組、実験例Ａ２５～Ａ２８の組は、次のことを示している。すなわち、実験例Ａ１～Ａ８の組においてセメントクリンカ粉末の種類を変えた場合であっても、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物において、このフライアッシュの混合材物性値が6766以上9565以下（FA2、FA4）である場合、このフライアッシュの混合材物性値が6410（FA1）である場合に比較してセメント混練物の圧縮強さが強くなる。
一方、表８において、実験例Ａ１～Ａ２８の組は、次のことを示している。すなわち、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物において、このフライアッシュの混合材物性値が6410(FA1)であっても、このフライアッシュの混合材物性値が6766以上9565以下（FA2～FA4）である場合と同様、セメント混練物の圧縮強さ比が100を超える（すなわち、セメント混練物にフライアッシュが含まれない場合に比較してセメント混練物の圧縮強さが強くなる。）。
つまり、表８における実験例Ａ１～Ａ２８から次のことを導出することができる。すなわち、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物において、このフライアッシュの混合材物性値を6400以上（厳格には6410以上）とすれば、このフライアッシュによってセメント組成物の強度発現性を高めることができ、このフライアッシュの混合材物性値を6700以上9600以下（厳格には6766以上9565以下）とすれば、このフライアッシュによってセメント組成物の強度発現性を最大限高めることができる。
この原理を次のように考えることができる。すなわち、このようなセメント組成物を水と混練すると、まず石膏粉末からSO3が溶出される。このSO3によりセメントクリンカ粉末中のアルミネートの急激な水和（瞬結）が抑制され、セメントクリンカ粉末に含まれるアルミネートが石灰石粉末と反応することにより、セメントクリンカ粉末からもSO3が溶出される。一方、フライアッシュは、セメントクリンカ粉末、石膏粉末及び石灰石粉末により形成される隙間を充填する。したがって、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュが一体となった状態において、セメントクリンカ粉末及び石膏粉末から溶出されるSO3によりフライアッシュの水和が促進されるため、高強度のセメント混練物を製造することができる。
表９において、実験例Ｂ１～Ｂ６におけるセメント組成物は、表７に示す実験例Ｒ６におけるセメント組成物に石灰石粉末及びフライアッシュを添加することにより製造したものである。表９において、実験例Ｂ１～Ｂ６における「圧縮強さ比」は、表７に示す実験例Ｒ６における「圧縮強さ」に対する実験例Ｂ１～Ｂ６における「圧縮強さ」の比（百分率）である。
表９において、実験例Ｂ１～Ｂ６の組は、次のことを示している。すなわち、表８に示す実験例Ａ１～Ａ２８の組においてセメントクリンカ粉末の種類をcli1～cli5からcli6に変えると、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物において、このフライアッシュの混合材物性値が6766以上9565以下（FA2、FA4）であっても、このフライアッシュの混合材物性値が6410（FA1）である場合に比較してセメント混練物の圧縮強さがわずかにしか強くならない。
ここで、表１及び表２に示すように、Cli1～Cli5のSO3含有率は1.06質量％以上であり、Cli6のSO3含有率は0.56質量％である。
つまり、表９における実験例Ｂ１～Ｂ６から次のことを導出することができる。すなわち、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物において、このフライアッシュの混合材物性値を6700以上9600以下（厳格には6766以上9565以下）とする場合、このセメントクリンカ粉末のSO3含有率を1.0質量％以上（厳格には1.06質量％以上）とすることにより、このフライアッシュによってセメント組成物の強度発現性を効果的に高めることができる。
この原理を次のように考えることができる。すなわち、このようなセメント組成物を水と混練すると、セメントクリンカ粉末からさらに多くのSO3が溶出されるため、このSO3によりフライアッシュの水和がさらに効率よく促進され、さらに高強度のセメント混練物を製造することができる。
表１０は、セメント組成物の組成とセメント混練物の圧縮強さ及び圧縮強さ比との関係を示している。具体的には、表１０は、セメント組成物において使用したセメントクリンカ粉末の種類、セメント組成物の石灰石粉末含有率（質量％）、セメント組成物の高炉スラグ粉末含有率（質量％）、セメント組成物において使用したフライアッシュの種類、セメント組成物のフライアッシュ含有率（質量％）、並びに、製造したセメント組成物から製造したセメント混練物の「材齢28日における圧縮強さ(N/mm2)」及び圧縮強さ比の関係を示している。セメント組成物は、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末、高炉スラグ粉末及びフライアッシュを含むものである。
表１０において、実験例Ｃ１～Ｃ６におけるセメント組成物は、表７に示す実験例Ｒ７におけるセメント組成物に石灰石粉末、高炉スラグ粉末及びフライアッシュを添加することにより製造したものである。実験例Ｃ７～Ｃ１２におけるセメント組成物は、表７に示す実験例Ｒ８におけるセメント組成物に石灰石粉末、高炉スラグ粉末及びフライアッシュを添加することにより製造したものである。表１０において、実験例Ｃ１～Ｃ６における「圧縮強さ比」は、表７に示す実験例Ｒ７における「圧縮強さ」に対する実験例Ｃ１～Ｃ６における「圧縮強さ」の比（百分率）である。実験例Ｃ７～Ｃ１２における「圧縮強さ比」は、表７に示す実験例Ｒ８における「圧縮強さ」に対する実験例Ｃ７～Ｃ１２における「圧縮強さ」の比（百分率）である。
表１０において、実験例Ｃ１～Ｃ６の組、実験例Ｃ７～Ｃ１２の組は、次のことを示している。すなわち、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物において、さらに高炉スラグ粉末が含まれていても、このフライアッシュの混合材物性値が6766以上9565以下（FA2、FA4）である場合、このフライアッシュの混合材物性値が6410（FA1）である場合に比較してセメント混練物の圧縮強さが強くなるし、このフライアッシュの混合材物性値が6410（FA1）である場合であっても、このフライアッシュの混合材物性値が6766以上9565以下（FA2、FA4）である場合と同様、セメント混練物の圧縮強さ比が100を超える（すなわち、セメント組成物に高炉スラグ粉末及びフライアッシュが含まれない場合に比較してセメント混練物の圧縮強さが強くなる）。
つまり、表１０における実験例Ｃ１～Ｃ１２から次のことを導出することができる。すなわち、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物において、さらに高炉スラグ粉末が含まれていても、このフライアッシュの混合材物性値を6400以上（厳格には6410以上）とすれば、このフライアッシュ及び高炉スラグ粉末によってセメント組成物の強度発現性を高めることができ、このフライアッシュの混合材物性値を6700以上9600以下（厳格には6766以上9565以下）とすれば、このフライアッシュ及び高炉スラグ粉末によってセメント組成物の強度発現性を最大限高めることができる。
この原理を次のように考えることができる。すなわち、このようなセメント組成物を水と混練すると、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュが一体となった状態において、セメントクリンカ粉末及び石膏粉末から溶出されるSO3によりフライアッシュの水和と高炉スラグの水和とが促進されるため、高強度のセメント混練物を製造することができる。
表１１は、セメント組成物のフライアッシュ含有率の増加に伴うセメント混練物の圧縮強さの変化を示している。具体的には、表１１は、表８～表１０に示す実験例Ａ１～Ａ２８、Ｂ１～Ｂ６及びＣ１～Ｃ１２において、同一のセメントクリンカ粉末及び同一のフライアッシュを使用した２つの実験例を１組としてまとめ、各組を構成する２つの実験例における「セメント混練物の圧縮強さ」の差を「圧縮強さの変化」として示している。
表１１に示されている各組の２つの実験例においては、セメントクリンカ粉末の種類、石灰石粉末含有率、高炉スラグ粉末含有率、フライアッシュの種類が同一であるが、フライアッシュ含有率が2.5質量％であるか5.0質量％であるかが異なっている。例えば、実験例Ａ１及びＡ５の組においては、表８及び表１１に示されているように、セメントクリンカ粉末の種類がCli1、石灰石粉末含有率が5.0質量％、フライアッシュの種類がFA1である点では共通しており、フライアッシュ含有率が2.5質量％であるか5.0質量％であるかが異なっている。そして、表８に示すように、実験例Ａ１（フライアッシュ含有率2.5質量％）の「圧縮強さ」は57.2N/mm2であり、実験例Ａ５（フライアッシュ含有率5.0質量％）の「圧縮強さ」は57.7N/mm2であるため、表１１に示すように、実験例Ａ１及びＡ５の組における「圧縮強さの変化」は57.7 N/mm2－57.2 N/mm2=0.5 N/mm2である。
上述したように、FA2、FA3及びFA4は、FA1に比較してセメント組成物の強度発現性を高めることができるものである。そして、実験例Ａ１～Ａ８の組、実験例Ａ１５～Ａ２０の組においては、FA2、FA3及びFA4を使用する場合、FA1を使用する場合に比較して「セメント組成物におけるフライアッシュ含有率の増加に伴うセメント混練物の圧縮強さの増加量」（圧縮強さの変化）も非常に大きい。
一方、実験例Ａ９～Ａ１４の組、実験例Ａ２１～Ａ２４の組においては、FA4を使用する場合であれば、FA1を使用する場合に比較して上記圧縮強さの変化がある程度大きくなる。
しかし、実験例Ａ２５～Ａ２８の組、実験例Ｂ１～Ｂ６の組、実験例Ｃ１～Ｃ６の組、及び、実験例Ｃ７～Ｃ１２の組においては、FA2及びFA4のいずれを使用する場合であっても、FA1を使用する場合に比較して上記圧縮強さの変化はわずかに大きくなるだけである。
上述したように、FA2、FA3及びFA4がFA1に比較してセメント組成物の強度発現性を効果的に高めるには、セメント組成物におけるセメントクリンカ粉末のSO3含有率が1.06質量％以上である必要がある。しかし、実験例Ａ９～Ａ１４の組においては、実験例Ａ１～Ａ８の組、実験例Ａ１５～Ａ２０の組よりもセメントクリンカ粉末のSO3含有率が高いにもかかわらず上記圧縮強さの変化が小さいことに鑑みると、FA2、FA3及びFA4を使用する場合に上記圧縮強さの変化を効果的に大きくするには、単にセメントクリンカ粉末のSO3含有率を高めるのではなく、セメント組成物においてセメントクリンカ粉末に含まれるSO3と石膏粉末に含まれるSO3との合計値及び比の両方を所定範囲内にする必要があると考えられる。
そこで、FA2～FA4を使用することにより上記圧縮強さの変化を非常に大きくすることができる実験例群（実験例Ａ１～Ａ８、実験例Ａ１５～Ａ２０）を実験例Ｘ１群とし、FA4を使用することにより上記圧縮強さの変化をある程度大きくすることができる実験例群（実験例Ａ９～Ａ１４、実験例Ａ２１～Ａ２４）を実験例Ｘ２群とし、FA2～FA4を使用しても上記圧縮強さの変化をわずかにしか大きくすることができない実験例群（実験例Ａ２５～Ａ２８、実験例Ｂ１～Ｂ６、実験例Ｃ１～Ｃ６、及び、実験例Ｃ７～Ｃ１２）を実験例Ｙ群とし、表１２において実験例Ｘ１群、Ｘ２群及びＹ群におけるセメント組成物の物性を比較した。
表１２は、実験例Ｘ１群、Ｘ２群及びＹ群におけるセメント組成物の物性、すなわち、次のように定義される「S1＋S2」及び「S2/S1」を示している。ここで、セメントクリンカ粉末に含まれるSO3をクリンカSO3と定義し、石膏粉末に含まれるSO3を石膏SO3と定義し、セメント組成物の全量に対するクリンカSO3の割合をＳ１質量％と定義し、セメント組成物の全量に対する石膏SO3の割合をＳ２質量％と定義する。この場合において、「S1＋S2」はＳ１質量％とＳ２質量％との合計値であり、「S2/S1」はＳ１質量％に対するＳ２質量％の比（割合）である。
実験例Ｘ１群において、「S1＋S2」は2.307質量％以上2.347質量％以下であり、「S2/S1」は1.046以上1.084以下である。また、実験例Ｘ１群及びＸ２群全体においては、「S1＋S2」は2.209質量％以上2.403質量％以下であり、「S2/S1」は0.998以上1.084以下である。実験例Ｙ群においては、「S1＋S2」が2.252質量％以上2.398質量％以下であり、「S2/S1」が0.568以上3.730以下である。
つまり、セメント組成物において、「S1＋S2」が2.209質量％以上2.403質量％以下であり、かつ、「S2/S1」が0.998以上1.084以下であると、FA4（混合材物性値がFA3の7896を超えるフライアッシュ）を使用することにより上記圧縮強さの変化を効果的に大きくすることができる。そして、セメント組成物において、「S1＋S2」が2.307質量％以上2.347質量％以下であり、かつ、「S2/S1」が1.046以上1.084以下であると、FA2～FA4を使用することにより上記圧縮強さの変化をさらに効果的に大きくすることができる。
以上により、表１１及び表１２に示す実験例から次のことを導出することができる。すなわち、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物において、このフライアッシュの混合材物性値が6700以上9600以下（厳格には6766以上9565以下）であり、「S1＋S2」が2.307質量％以上2.347質量％以下であり、かつ、「S2/S1」が1.046以上1.084以下であれば、セメント組成物におけるフライアッシュによりセメント混練物の強度を効果的に高めることができる。
また、表１１及び表１２に示す実験例から次のことを導出することができる。すなわち、セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物において、このフライアッシュの混合材物性値が7896を超えており、「S1＋S2」が2.00質量％以上2.50質量％以下（厳格には2.209質量％以上2.403質量％以下）であり、かつ、「S2/S1」が0.80以上1.20以下（厳格には0.998以上1.084以下）であれば、セメント組成物におけるフライアッシュによりセメント混練物の強度を効果的に高めることができる。
この原理を次のように考えることができる。すなわち、このようなセメント組成物においては、多くのクリンカSO3と多くの石膏SO3とが互いに均衡して含まれている。このため、このセメント組成物を水と混練すると、混練初期段階においては石膏粉末からSO3を溶出させ、かつ、混練初期段階経過後においてはセメントクリンカ粉末からSO3を溶出させることができる。このため、混練段階全体において、石膏粉末及びセメントクリンカ粉末から途切れることなく連続的にSO3を溶出させ、このSO3により途切れることなく連続的にフライアッシュの水和を促進させることができる。
１ セメント組成物の製造装置
２ クリンカサイロ
３ 仕上ミル
４ 分級装置
５ 混合装置
６ セメントサイロ
７ 制御装置
７ａ 分析部
７ｂ 演算部
７ｃ 切替部
８ 回収装置
Ａ フライアッシュ
Ｃ クリンカ
Ｄ 粉砕物
Ｆ 微粉
Ｇ 石膏
Ｌ 石灰石粉末
Ｍ 混合物
Ｒ 粗粉
Ｓ１ 測定データ
Ｓ２ 算出データ
２ クリンカサイロ
３ 仕上ミル
４ 分級装置
５ 混合装置
６ セメントサイロ
７ 制御装置
７ａ 分析部
７ｂ 演算部
７ｃ 切替部
８ 回収装置
Ａ フライアッシュ
Ｃ クリンカ
Ｄ 粉砕物
Ｆ 微粉
Ｇ 石膏
Ｌ 石灰石粉末
Ｍ 混合物
Ｒ 粗粉
Ｓ１ 測定データ
Ｓ２ 算出データ
Claims (6)
- セメント組成物の製造方法であって、
演算工程及び混合工程を備え、
前記演算工程においては、フライアッシュのNa2O含有率（質量％）、K2O含有率（質量％）、SO3含有率（質量％）及び比表面積（cm2/g）をそれぞれN、K、S及びBと定義した場合の物性値「（N＋K×0.658＋S）×B」を算出し、
前記混合工程においては、前記物性値が6400以上である前記フライアッシュをセメントクリンカ粉末、石膏粉末及び石灰石粉末と混合することにより、前記セメント組成物を製造することを特徴とするセメント組成物の製造方法。 - 前記混合工程においては、前記物性値が6700以上9600以下である前記フライアッシュを前記セメントクリンカ粉末、前記石膏粉末及び前記石灰石粉末と混合することにより、前記セメント組成物を製造することを特徴とする請求項１に記載のセメント組成物の製造方法。
- 前記セメントクリンカ粉末のSO3含有率は、1.0質量％以上であることを特徴とする請求項２に記載のセメント組成物の製造方法。
- 前記セメントクリンカ粉末に含まれるSO3をクリンカSO3と定義し、前記石膏粉末に含まれるSO3を石膏SO3と定義し、前記セメント組成物の全量に対する前記クリンカSO3の割合をＳ１質量％と定義し、前記セメント組成物の全量に対する前記石膏SO3の割合をＳ２質量％と定義した場合、
前記Ｓ１質量％と前記Ｓ２質量％との合計値が2.00質量％以上2.50質量％以下であり、かつ、前記Ｓ１質量％に対する前記Ｓ２質量％の割合が0.80以上1.20以下であることを特徴とする請求項２又は３に記載のセメント組成物の製造方法。 - セメント組成物の製造装置であって、
制御装置、混合装置及び回収装置を備え、
前記制御装置は、演算部及び切替部を有しており、
前記演算部は、フライアッシュのNa2O含有率（質量％）、K2O含有率（質量％）、SO3含有率（質量％）及び比表面積（cm2/g）をそれぞれN、K、S及びBと定義した場合の物性値「（N＋K×0.658＋S）×B」を算出し、
前記混合装置は、前記物性値が6400以上である前記フライアッシュをセメントクリンカ粉末、石膏粉末及び石灰石粉末と混合することにより、前記セメント組成物を製造するものであり、
前記切替部は、前記物性値が6400未満である前記フライアッシュを前記回収装置に排出することを特徴とするセメント組成物の製造装置。 - セメントクリンカ粉末、石膏粉末、石灰石粉末及びフライアッシュを含む混合物からなるセメント組成物であって、
前記セメントクリンカ粉末及び前記石膏粉末は、前記混合物において合計で90.0質量％以上の割合で含まれており、
前記フライアッシュのNa2O含有率（質量％）、K2O含有率（質量％）、SO3含有率（質量％）及び比表面積（cm2/g）をそれぞれN、K、S及びBと定義した場合の物性値「（N＋K×0.658＋S）×B」が6766以上9565以下であり、
前記セメントクリンカ粉末に含まれるSO3をクリンカSO3と定義し、前記石膏粉末に含まれるSO3を石膏SO3と定義し、前記混合物の全量に対する前記クリンカSO3の割合をＳ１質量％と定義し、前記混合物の全量に対する前記石膏SO3の割合をＳ２質量％と定義した場合、前記Ｓ１質量％と前記Ｓ２質量％との合計値が2.307質量％以上2.403質量％以下であり、かつ、前記Ｓ１質量％に対する前記Ｓ２質量％の割合が0.998以上1.084以下であることを特徴とするセメント組成物。
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