JPH08310842A - ガラス質セメント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 水酸化アルカリ金属溶液に溶解しやすいシリ
カ含有鉱物粉の潜在的能力を生かし、エネルギー消費が
少なく安価に製造することが可能であり、ガラス状に結
合する高強度の固化体を得ることができるガラス質セメ
ントを提供すること。 【構成】 ガラス質セメントは、水酸化アルカリ金属溶
液に溶解しやすいシリカ含有鉱物粉１００重量部と、水
酸化アルカリ金属当量でのアルカリ金属含有化合物５乃
至１５重量部と、酸化アルカリ土類金属当量でのアルカ
リ土類金属含有化合物１乃至７重量部とよりなり、水の
存在下で溶解結合し、特に高温下で反応が促進して強固
な固化体を得ることができるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主として土木建築用に
使用されるセメント、特にガラス状の固化反応を呈する
セメントに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、土木建築用に使用される代表的な
セメントとしてポルトランドセメントが挙げられる。ポ
ルトランドセメントの固化メカニズムは水和生成物によ
るセメント粒子間の接着的結合に依存しているので、種
々の問題点が生じている。即ちその水和反応の過程でセ
メント重量の約３０％がＣａ（ＯＨ）₂ となって放出さ
れ、水中にあってはそれが流出してポーラス状劣化や中
性化による鉄筋腐食を発生することや、コンクリート中
のアルカリ金属塩がＣａ（ＯＨ）₂ によって活性化し、
アルカリ骨材反応を誘発することが挙げられる。又物理
的には、ＪＩＳＲ ５２０１によるモルタル試験用の供
試体で短期間に強度発現を促進しようとして１８０℃オ
ートクレーブによる養生を数時間行ったとしても、よう
やく材令２８日強度である約４００Ｋｇ／ｃｍ² を発現
する状況であり、強度的に限界がある。更にポルトラン
ドセメントを使用して高強度を得るためには、流動化
剤、減水剤、ポゾラン材等の助力やセメント混合量の増
加を必要としてコスト増となると共に、初期材令や加熱
養生時に水分を十分に保持しなければクラックが発生し
てしまう致命的な欠点を有する。

【０００３】又製造工程において、ポルトランドセメン
トは石灰石、粘土等の諸原料を粉砕調合した上で１４５
０℃程度の高熱で焼成し、得られる塊状クリンカーに石
膏を加えながら再び粉砕するという工程を経て生産され
るから、製造時に熱や動力のためのエネルギーを大量に
消費する問題点や、焼成時にＣＯ₂ を大量に発生するこ
とに起因する環境上の問題点も指摘される。

【０００４】他方、フライアッシュや高炉スラグ等のよ
うに、水酸化アルカリ金属溶液に溶解しやすいシリカ含
有鉱物粉は、ポゾラン反応を利用することにより、セメ
ント混和材としてコンクリートの発熱性を低減させ、又
流動性、耐久性、水密性等を高めるために副次的に使用
されることが知られているが、あくまで副次的な役割を
担う材料として使用されているに過ぎない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、水酸化アルカリ金属溶液に溶解しやすいシ
リカ含有鉱物粉の潜在的能力を生かし、その固化メカニ
ズムがポルトランドセメントのような水和生成物による
セメント粒子間の接着的結合に依存せず、前記ポルトラ
ンドセメントが有する問題点を克服し、エネルギー消費
が少なく安価に製造することが可能であり、得られる固
化体は高強度で安定性及び耐久性に富むガラス質セメン
トを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明によるガラス質セメントは、水酸化アルカリ
金属溶液に溶解しやすいシリカ含有鉱物粉と、アルカリ
金属含有化合物と、アルカリ土類金属含有化合物とより
なることを基本的な特徴とするものであり、より具体的
には、水酸化アルカリ金属溶液に溶解しやすいシリカ含
有鉱物粉１００重量部と、水酸化アルカリ金属当量での
アルカリ金属含有化合物５乃至１５重量部と、酸化アル
カリ土類金属当量でのアルカリ土類金属含有化合物１乃
至７重量部とからなることを特徴とするものである。

【０００７】この様な水酸化アルカリ金属溶液に溶解し
やすいシリカ含有鉱物粉（以下、「シリカ含有鉱物粉」
という。）には、人工的なものとしてフライアッシュ、
高炉スラグ、シリカフューム、ガラスビン粉末等が挙げ
られるが、その他に自然界の火山灰や珪石粉等を選択す
ることもできる。該シリカ含有鉱物粉は、単一種の鉱物
粉を使用する場合や、異種の鉱物粉を混合して使用する
場合がある。又、アルカリ金属含有化合物としては、通
常ＮａＯＨ、ＫＯＨ等の水酸化アルカリ金属が使用さ
れ、更にアルカリ土類金属含有化合物としては、通常Ｃ
ａＯ、ＭｇＯ等の酸化アルカリ土類金属や、Ｃａ（Ｏ
Ｈ）₂ 、Ｍｇ（ＯＨ）₂ 等の水酸化アルカリ土類金属が
使用される。

【０００８】シリカ含有鉱物粉、アルカリ金属含有化合
物、アルカリ土類金属含有化合物を所定の比率で混合し
たガラス質セメントは、後述するように水の存在下で溶
解し固化反応を開始する。固化体は、水と反応するガラ
ス質セメントのみで得ることができるが、土木建築等の
材料として使用する場合には、水の添加の際に砂、砂利
等の骨材を配合しておくことにより一体的に固化した構
造体、即ちコンクリートを得ることができる。そしてガ
ラス質セメントを使用したコンクリートの混練は、その
混練時に、シリカ含有鉱物粉、アルカリ金属含有化合物
の粉体又は水溶液、アルカリ土類金属含有化合物の粉体
又は水溶液を所定比率になるようにミキサに投入し混練
する方法や、固体状の各成分を製造工場等で事前混合
し、後にコンクリートプラント等で水溶状の成分をミキ
サに投入して混練する方法が採用される。

【０００９】完成されるコンクリート等の構造体の強度
は、ポルトランドセメントを使用したコンクリートの特
性と同様に加えられる水量に支配され、高強度を得るに
は水量を減ずることが要求される。この要求を満たすた
めに、必要に応じて減水剤、高流動化剤を添加すること
が好ましい。又水量を低減させるためには、シリカ含有
鉱物粉の粒度をポルトランドセメントのブレーン比表面
積程度（３５００〜６０００ｃｍ² ／ｇ）とすることが
好ましい。粒度が細か過ぎると流動性確保のための水量
を増大させなければならず、反対に粒度が粗すぎると粘
性が確保しずらく、又反応速度や反応度が低下する。

【００１０】本発明によるガラス質セメントは、各種の
シリカ含有鉱物粉を複合して使用したり、各種の水酸化
アルカリ金属や酸化もしくは水酸化アルカリ土類金属を
複合して使用したりすることにより使用目的に応じた固
化体を得ることができる。特に酸化アルカリ土類金属と
してＣａＯを多量に使用する場合にはＭｇＯでＣａＯの
一部を置換えると安定性が一層良好となる。

【００１１】本発明によるガラス質セメントは、シリカ
含有鉱物粉中のガラス活性状態によっては高炉スラグ粉
のように常温域でも必要な性能を有する固化体を得るこ
とが可能であるが、８０〜１８０℃以下の空気中又は蒸
気中で加熱処理を行うと短期間に高い強度発現を得るこ
とができる。ポルトランドセメントでは、加熱養生をし
た場合に湿分の供給を行わないとひび割れを生じるが、
本発明によるガラス湿セメントでは、湿分の供給がなく
とも安定状態下で強度発現が促進する。

【００１２】

【作用】水酸化アルカリ金属溶液に溶解しやすいシリカ
含有鉱物粉には、ポルトランドセメントに含有する程度
のアルカリ金属ですら、常温域では緩やかに、高温域で
は急速に溶解するガラス質が含まれているので、該シリ
カ含有鉱物粉にアルカリ金属含有化合物と水とを添加す
ると、該シリカ含有鉱物粉は容易に溶解し、特に高温域
ではその溶解は著しい。すなわち下記（１）式の溶解が
生じる（Ｘはアルカリ金属を表す。）。これは例えば水
ガラスの製造時にカレットを水酸化アルカリ金属水存在
下で１４０℃〜１８０℃に加熱すると水ガラスが生成で
きる様相に近似するものと考えられ、かかる場合に該シ
リカ含有鉱物粉は一種のカレットに見立てることができ
る。

【化１】

【００１３】次に、珪酸の溶解時にアルカリ土類金属含
有化合物が介在されていると、順次ガラス配列が（２）
式のように形成されガラス質セメント粒子同志が溶着固
結すると考えられる（Ｙはアルカリ土類金属を表
す。）。

【化２】

【００１４】又ガラス配列で残余となった一部の珪酸ソ
ーダやアルカリ土類金属化合物は、該シリカ含有鉱物粉
中の多様な成分と水とによって、例えば（３）式や
（４）式のように不可逆性のポゾラン反応物を生成しゲ
ル化するものと考えられる。更にＳＯ₃ が存在したり添
加されると水酸化アルカリ金属は（５）式のようにアル
カリ金属塩となって中性化する。

【化３】

【化４】

【化５】

【００１５】好ましい態様として、アルカリ金属含有化
合物は、シリカ含有鉱物粉１００重量部に対し、水酸化
アルカリ金属当量で５乃至１５重量部添加される。アル
カリ金属化合物の添加比率が下限をはずれると、固化反
応は生ずるが固結度が小さくなってしまい、又添加比率
が上限を越えてもアルカリ土類金属化合物を増量すれば
強い固化体を得られるが、著しい改善は見られずコスト
増につながる。アルカリ土類金属含有化合物は、シリカ
含有鉱物粉１００重量部に対し、酸化アルカリ土類金属
当量で１乃至７重量部添加される。アルカリ土類金属は
中性化しやすい水酸化アルカリ金属液に対し鉱物粉粒の
表面が溶解するまで活性化を持続させるために、又ガラ
ス構造の再生のために添加比率の下限量が必要であり、
又上限を超えるとひび割れ等の不安定現象を生じること
がある。

【００１６】ポルトランドセメントに比較して、本発明
によるガラス質セメントの製造では、既に熱履歴を受け
ガラス化質を多量に含むシリカ含有質鉱物粉を主材とす
るために焼成工程を省略することができ、又フライアッ
シュについては粉砕工程が省略できるし、他の高炉スラ
グ粉等各種鉱物粉については１回の粉砕で十分であるか
ら、熱的、動力的に極めて低コストであり、省資源にも
役立つ。更に製造時にＣＯ₂ も発生しないから環境も保
全される。

【００１７】本発明によるガラス質セメントの固化メカ
ニズムは、主としてガラス質セメント粒子同志の溶着結
合に基づくものであり、その固化結合は強力である。高
炉スラグ粉は常温域の反応でも高い発熱を伴うために早
急に反応が進み、１６時間以内にポルトランドセメント
の材令２８日並の早強性を示す。他のフライアッシュ等
の鉱物粉は常温域での固化速度は遅いが、コンクリート
二次製品製造時に高温処理を施した場合には高い強度を
数時間で発現する。反応時の加熱は沸騰点以下の温度で
自由水を発散させた後であれば、蒸気加熱又は乾気加熱
でもよく、好ましくは、反応性の低い鉱物粉の場合には
乾気加熱後蒸気加熱、反応性が高い鉱物粉の場合には蒸
気加熱後乾気加熱が採用される。なお残余の成分によっ
て一部ポゾラン反応生成物も形成されると考えられる。

【００１８】又本発明のガラス質セメントによる固化体
の圧縮強度について、セメントの強さ試験であるＪＩＳ
Ｒ ５２０１に準拠して製作したモルタル供試体につ
いて強度試験を実施すると、８０℃１６時間加熱で約６
０〜６００Ｋｇ／ｃｍ² 、１２０℃６時間加熱で約２０
０〜８００Ｋｇ／ｃｍ² 、１８０℃６時間加熱で５００
〜１２００Ｋｇ／ｃｍ² となり、一般的に著しく高い強
度を発現する。モルタル固化体は安定性に優れ、加熱や
乾燥に伴うクラックは８５０℃でも生じない。又ガラス
質の固化体であるので耐久性にも優れ、半永久的な使用
に耐えられると考えられる。

【００１９】

【実施例】本発明に於けるガラス質セメントの原料とな
るシリカ含有鉱物粉の代表的な種類についてその物理的
化学的諸性状を表１に示す。

【表１】

【００２０】これらのシリカ含有鉱物分を使用したガラ
ス質セメントの品質についての試験は、ポルトランドセ
メントの品質を判定するためにＪＩＳ Ｒ ５２０１と
して制定されているセメントの物理試験方法を準用して
行った。

【００２１】シリカ含有鉱物粉に対し各種のアルカリ金
属含有化合物及びアルカリ土類金属含有化合物を使用し
たガラス質セメントのみによるペーストの性状を表２及
び表３に示す。シリカ含有鉱物粉を使用したガラス質セ
メントにより生成される固化体は、ソーダガラスの組成
であるＮａ₂Ｏ・ＣａＯ・５ＳｉＯ₂に組成的に準えるこ
とができるが、シリカ含有鉱物粉を溶解固結させるため
には、鉱物粉粒子の全体を溶解しないでも、その表面の
薄層部を溶解すれば十分な溶解固結が得られるから上記
ソーダガラスの組成中５ＳｉＯ₂を１０ＳｉＯ₂と仮定し
て配合比を定めている。

【表２】

【表３】

【００２２】表２および表３に示されるように、高炉ス
ラグ粉の場合にはそのゲル化時間は早くなるが凝結遅延
材の添加で改善することができる。他の鉱物粉の場合に
は常温下ではゲル化時間は非常に遅いが、８０℃に昇温
すると１時間以内にゲル化する。又アルカリ金属化合物
の添加比率が表示の下限をはずれると、固化反応は生ず
るが固結度が小さく、又添加比率が上限を越えてもアル
カリ土類金属化合物を増量すれば強い固化体を得られる
が、著しい改善は見られず、コスト増につながる。更に
アルカリ土類金属は中性化しやすい水酸化アルカリ金属
液の活性化を持続させるために、又ガラス構造の再生の
ために鉱物粉１００重量部に対して酸化アルカリ土類金
属等量で最小限約１重量部必要であるが、上限値を超え
るとひび割れ等の不安定現象を生じることがある。

【００２３】表２及び表３の中から経済性と安定性に優
れる組成、すなわちアルカリ金属化合物としてはＮａＯ
Ｈ（ＫＯＨより低価格である。）を、アルカリ土類金属
化合物としてはＭｇＯ（ＣａＯより過添加時に安定性が
損われない。）を選択し、ＪＩＳ Ｒ ５２０１のセメ
ント強さ試験に準拠してモルタル供試体を製作し試験を
行った。図１は、表１におけるフライアッシュＡ（記
号：Ｐ１）を基材とした場合（配合比：Ｗ／Ｐ１＝０．
３２、ＭｇＯ／Ｐ１＝０．０２。尚「Ｗ／Ｐ１」は水と
鉱物粉Ｐ１との重量比を、又「ＭｇＯ／Ｐ１」はＭｇＯ
と鉱物粉Ｐ１との重量比を表す。以下の同様の記載も同
様の意味を表す。）及び高炉スラグＡ（記号：Ｐ４）を
基材とした場合（配合比：Ｗ／Ｐ４＝０．４１、ＭｇＯ
／Ｐ４＝０．０２）とについて、１２０℃６時間加熱時
のＮａＯＨ添加量と圧縮強度との関係を示し、又図２乃
至図４は、各種の鉱物粉を基材とした場合の加熱温度及
び加熱時間と圧縮強度との関係を示す。なおモルタル供
試体の製作にあたっては、当該ＪＩＳの配合表示が重量
比となっているため、比重が小さい本発明のガラス質セ
メントではペースト量が多くなり強度に有利に働くこと
から、重量による配合表示である、砂１０４０ｇ：セメ
ント５２０ｇ：水３３８ｇを、容積配合である、砂４０
０ｃｃ：ペースト５００ｃｃに変換した。又フロー値は
２００±１０ｍｍとした。

【００２４】図２は、フライアッシュＡ（記号：Ｐ
１）、フライアッシュＢ（記号：Ｐ２）、フライアッシ
ュＣ（記号：Ｐ３）をそれぞれ基材とした場合で、配合
比を、それぞれについてＷ／Ｐ１＝０．３２、Ｗ／Ｐ２
＝０．３８、Ｗ／Ｐ３＝０．４６とし、又いずれについ
てもＮａＯＨ／Ｐ＝０．０９、ＭｇＯ／Ｐ＝０．０２
（尚「ＮａＯＨ／Ｐ」はＮａＯＨと対応する鉱物粉との
重量比を、又「ＭｇＯ／Ｐ」はＭｇＯと対応する鉱物粉
との重量比を表す。以下の同様の記載も同様の意味を表
す。）としたモルタル供試体についての結果を示す。図
３は、高炉スラグＡ（記号：Ｐ４）、高炉スラグＢ（記
号：Ｐ５）、高炉スラグＣ（記号：Ｐ６）をそれぞれ基
材とした場合で、配合比を、それぞれについてＷ／Ｐ４
＝０．４１、Ｗ／Ｐ５＝０．３７、Ｗ／Ｐ６＝０．４０
とし、又いずれについてもＮａＯＨ／Ｐ＝０．０９、Ｍ
ｇＯ／Ｐ＝０．０２としたモルタル供試体についての結
果を示す。減水剤添加の印が付されている値は、高炉ス
ラグＡを基材としたものに於いて減水剤を使用してＷ／
Ｐ４＝０．３９とした値である。図４は、珪石粉（記
号：Ｐ７）、火山灰Ａ（記号：Ｐ８）、火山灰Ｂ（記
号：Ｐ９）、びんガラス粉（記号：Ｐ１０）をそれぞれ
基材とした場合で、配合比を、それぞれについてＷ／Ｐ
７＝０．４２、Ｗ／Ｐ８＝０．３７、Ｗ／Ｐ９＝０．３
７、Ｗ／Ｐ１０＝０．３６とし、又いずれについてもＮ
ａＯＨ／Ｐ＝０．１１、ＭｇＯ／Ｐ＝０．０４としたモ
ルタル供試体についての結果を示す。

【００２５】図１乃至図４の結果によれば、いずれのシ
リカ含有鉱物粉を使用した場合であっても、高温処理し
たときに著しく高い強度を発現する。そして高炉スラグ
を使用した場合には常温であっても１６時間経過後でポ
ルトランドセメントによる材令２８日に近い早強性を示
している。またＣａＯを添加した場合にもそれなりに高
い強度を発現することが確認された。なお供試体の表面
観察において、変形、ひび割れ、白華現象は観察されな
かった。又８５０℃の電気炉加熱によっても安定性に異
常を生じなかった。

【００２６】

【発明の効果】本発明は次のような効果を奏する。 Ａ．従来のポルトランドセメントによる固化はその水和
生成物による粒子間接着であったが、本発明によるガラ
ス質セメントは粒子同志の溶着結合によって行われるた
めに、養生ひび割れや乾燥収縮を生ぜず、且つ高強度を
発現すると共に耐圧性、安定性、耐久性に優れる。 Ｂ．本発明で使用される水酸化アルカリ金属溶液に溶解
しやすいシリカ含有鉱物粉は既に鉱物が溶融する温度で
の熱履歴を経てガラス化が進んでいるため、ポルトラン
ドセメント製造時におけるような１４５０℃にも及ぶ焼
成工程を省略できエネルギー消費を低減することができ
る。又鉱物粉にフライアッシュを使用した場合には焼成
原料の粉砕が不要であり、高炉スラグ等を使用した場合
でも１回の粉砕工程のみ行えばよいから焼成原料の粉砕
に使用するエネルギーも節約することができる。更にガ
ラス質セメントの製造に石灰石（ＣａＣＯ₃ ）の焼成工
程が含まれないため、ＣＯ₂ が発生せず、環境保全が図
れる。 Ｃ．水酸化アルカリ金属溶液に溶解しやすいシリカ含有
鉱物粉は従来添加物としてコンクリート分野で副材的に
少量利用されてきたが、本発明では主材として使用する
結果、フライアッシュ、びんガラス等の産業廃棄物を大
量に再利用できる。

【００２７】Ｄ．本発明にかかるガラス質セメントによ
る固化体の強度は、ポルトランドセメントによるそれに
比較して著しく高く、ガラス質セメントを利用した二次
製品が鉄鋼等金属材料による製品に近づき、建設の合理
化とコストダウンが図れる。 Ｅ．シリカ含有鉱物粉は、利用目的に応じて単一種鉱物
及び異種鉱物の複合物を使用することができ、又アルカ
リ金属化合物やアルカリ土類金属化合物についても同様
である。 Ｆ．高炉スラグ粉を使用するときには、常温の１６時間
経過強度で３００Ｋｇ／ｃｍ² に至る著しい早期強度を
得ることができる。 Ｇ．本発明によるガラス質セメントは、ポルトランドセ
メントにおける場合と同様に水量調節で設定強度の調節
が可能であるが、必ずしも湿潤養生等を行う必要はな
い。 Ｈ．本発明によるガラス質セメントは、シリカ含有鉱物
粉中のガラス活性状態によっては高炉スラグ粉のように
常温域でも必要な性能を有する固化体を得ることが可能
であるが、８０〜１８０℃以下の空気中又は蒸気中で養
生を行うと短期間に高い強度発現を得ることができるの
で、固化体による二次製品の製造時に極めて有効であ
る。 Ｉ．本発明によるガラス質セメントは、全般的に比重
（２．２〜２．９）が小さいため嵩容積が大きくなり、
モルタルやコンクリート中でのセメントが占める容積率
が大きくなるため、緻密な固化体を得ることができる。
尚ペースト容積をポルトランドセメント（比重：３．１
５）によるコンクリートと同じにするとすれば、フライ
アッシュを基材とする場合に、単位セメント量（重量）
を約３０％も節約でき、経済的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガラス質セメントモルタルにおけるＮａＯＨ添
加量と圧縮強度との関連図である。

【図２】フライアッシュを基材とするガラス質セメント
モルタルにおける加熱温度及び加熱時間と圧縮強度との
関連図である。

【図３】高炉スラグを基材とするガラス質セメントモル
タルにおける加熱温度及び加熱時間と圧縮強度との関連
図である。

【図４】珪石粉、火山灰粉、びんガラス粉を基材とする
ガラス質セメントモルタルにおける加熱温度及び加熱時
間と圧縮強度との関連図である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水酸化アルカリ金属溶液に溶解しやすい
   シリカ含有鉱物粉と、アルカリ金属含有化合物と、アル
   カリ土類金属含有化合物とよりなることを特徴とするガ
   ラス質セメント。
2. 【請求項２】 水酸化アルカリ金属溶液に溶解しやすい
   シリカ含有鉱物粉１００重量部と、水酸化アルカリ金属
   当量でのアルカリ金属含有化合物５乃至１５重量部と、
   酸化アルカリ土類金属当量でのアルカリ土類金属含有化
   合物１乃至７重量部とよりなることを特徴とするガラス
   質セメント。
3. 【請求項３】 水酸化アルカリ金属溶液に溶解しやすい
   シリカ含有鉱物粉には、単一種の鉱物粉又は異種の鉱物
   粉の混合物が使用されることを特徴とする請求項１又は
   請求項２記載のガラス質セメント。
4. 【請求項４】 アルカリ金属含有化合物は、水酸化アル
   カリ金属であることを特徴とする請求項１乃至３のいず
   れか１項記載のガラス質セメント。
5. 【請求項５】 アルカリ土類金属含有化合物は、酸化も
   しくは水酸化アルカリ土類金属であることを特徴とする
   請求項１乃至４のいずれか１項記載のガラス質セメン
   ト。