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JP2017149638A - フライアッシュ混合セメント組成物、およびその製造方法 - Google Patents

フライアッシュ混合セメント組成物、およびその製造方法 Download PDF

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JP2017149638A JP2017011836A JP2017011836A JP2017149638A JP 2017149638 A JP2017149638 A JP 2017149638A JP 2017011836 A JP2017011836 A JP 2017011836A JP 2017011836 A JP2017011836 A JP 2017011836A JP 2017149638 A JP2017149638 A JP 2017149638A
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智矢 馬場
Tomoya Baba
智矢 馬場
朋子 安藝
Tomoko Aki
朋子 安藝
耕一郎 弥栄
Koichiro Iyasaka
耕一郎 弥栄
修 久保田
Osamu Kubota
修 久保田
清一 星野
Seiichi Hoshino
清一 星野
宙 平尾
Hiroshi Hirao
宙 平尾
信和 二戸
Nobukazu Futado
信和 二戸
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DC Co Ltd
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Taiheiyo Cement Corp
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Abstract

【課題】本発明は、フライアッシュ混合セメント組成物全般に適用可能で、強度発現性が向上したフライアッシュ混合セメント組成物、および汎用性の高いフライアッシュ混合セメント組成物の製造方法を提供する。【解決手段】本発明のフライアッシュ混合セメント組成物は、下記(A)〜(C)成分を下記の含有率で含むフライアッシュ混合セメント組成物である。(ただし、下記(A)〜(C)成分の合計は100質量%である。)(A)ポルトランドセメントクリンカー粉砕物と石膏(SO3換算)の混合物:58〜94.5質量%(ただし、該混合物100質量%中に、石膏(SO3換算)は1.0〜2.5質量%含まれる。)(B)石灰石微粉末:0.5〜7質量%(ただし、該石灰石微粉末100質量%中に、粒径が10μm未満の石灰石粒子は30質量%以上含まれる。)(C)フライアッシュ:5〜35質量%【選択図】なし

Description

本発明は、強度発現性が改善したフライアッシュ混合セメント組成物と、その製造方法に関する。
ポルトランドセメントの一部をフライアッシュで置換したフライアッシュ混合セメントは、水酸化カルシウムとフライアッシュのポゾラン反応により、安定な珪酸カルシウム水和物等の化合物を生成して緻密な組織を形成する。そのため、該セメントは、水密性や化学抵抗性が向上するほか、強度が長期にわたり増進する。
また、ポゾラン反応による発熱量は、ポルトランドセメントの水和による発熱量に比べ少ないため、フライアッシュ混合セメントの水和熱は、ポルトランドセメントよりも少ない。また、フライアッシュは、それ自体、球状の微粒子であるから、ボールベアリング作用により、コンクリート等の流動性が向上して単位水量が減少するため、フライアッシュ混合セメントを用いた硬化体は、乾燥収縮が小さい。
さらに、セメント製造における環境負荷の観点からも、フライアッシュ混合セメントは、セメント製造時のCO排出量や、原料である石灰石や化石燃料などの天然資源の使用量が少なく、また、副産物であるフライアッシュを有効活用できるなど、多くの環境負荷低減効果を有している。
フライアッシュ混合セメントはこのように多くの長所を有するが、一般社団法人セメント協会のホームページによると、2014年度のフライアッシュセメントの生産高は74千t/年と、セメントの総生産高56700千t/年の0.13%に過ぎない。このようにフライアッシュ混合セメントが普及しない理由の1つに、初期の強度発現性が低い点が挙げられる。
かかるフライアッシュ混合セメントの強度発現性に関連して、燃料となる石炭の性状や、火力発電所の運転状態により品質が変動するフライアッシュの中から、好ましい品質を有するフライアッシュを評価して選別する方法等の提案がある。
例えば、特許文献1では、石炭灰を大量に用い、強度発現の良好なモルタルやコンクリ−ト組成物のセメント/石炭灰比(質量比)は、石炭灰の20%スラリー液のpHが11.0以上の場合0.5以上、該液のpHが9.0以上11.0未満の場合0.7以上、該液のpHが6.0以上9.0未満の場合1.0以上としている。
また、特許文献2では、安定的に良好な強度発現性を有するセメントの製造に適したフライアッシュは、リートベルト解析法で求められる格子定数bが0.4935nm以下であるα−石英を含み、BET比表面積は5.0m/g以下としている。
特開平9−156971号公報 特開2011−20867公報
しかし、これらの特許文献に記載の発明は、特殊な評価方法を用いたフライアッシュの選別方法に過ぎず、フライアッシュ混合セメントの強度発現性の向上という課題に対し、根本的な解決方法にならない。
したがって、本発明は、フライアッシュ混合セメント組成物全般に適用可能で、強度発現性が向上したフライアッシュ混合セメント組成物、および汎用性の高いフライアッシュ混合セメント組成物の製造方法を提供することを目的とする。
そこで、本発明者は、フライアッシュ混合セメントの強度発現性を向上させる方法について、鋭意検討した結果、フライアッシュ混合セメントに、特定の粒度構成を有する石灰石微粉末を混合すれば、フライアッシュ混合セメントの強度発現性が向上することを見出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明は下記の構成を有する、強度発現性が良好なフライアッシュ混合セメント組成物等である。
なお、本願明細書等では、フライアッシュとセメントの混合物を、フライアッシュ混合セメントといい、フライアッシュとセメントと石灰石微粉末の混合物を、フライアッシュ混合セメント組成物という。
[1]下記(A)〜(C)成分を下記の含有率で含む、フライアッシュ混合セメント組成物。
(ただし、下記(A)〜(C)成分の合計は100質量%である。)
(A)ポルトランドセメントクリンカー粉砕物と石膏(SO換算)の混合物:58〜94.5質量%(ただし、該混合物100質量%中に、石膏(SO換算)は1.0〜2.5質量%含まれる。)
(B)石灰石微粉末:0.5〜7質量%(ただし、該石灰石微粉末100質量%中に、粒径が10μm未満の石灰石粒子は30質量%以上含まれる。)
(C)フライアッシュ:5〜35質量%
[2]前記ポルトランドセメントクリンカー中のエーライト(CS)とビーライト(CS)の質量比(CS/CS)が1.5〜8.0である、前記[1]に記載のフライアッシュ混合セメント組成物。
[3]前記質量比(CS/CS)が3.5〜7.5である、前記[2]に記載のフライアッシュ混合セメント組成物。
[4]ポルトランドセメントクリンカーと石膏を同時に粉砕して得た2成分混合物、粒径が10μm未満の石灰石粒子を30質量%以上含む石灰石微粉末、およびフライアッシュを混合して、前記[1]〜[3]のいずれかに記載のフライアッシュ混合セメント組成物を製造する、フライアッシュ混合セメント組成物の製造方法。
[5]ポルトランドセメントクリンカー、石膏、および石灰石を同時に粉砕して得た3成分混合物と、フライアッシュを混合して、前記[1]〜[3]のいずれかに記載のフライアッシュ混合セメント組成物を製造する、フライアッシュ混合セメント組成物の製造方法。
[6]ポルトランドセメントクリンカー、石膏、石灰石、およびフライアッシュを同時に粉砕して、前記[1]〜[3]のいずれかに記載のフライアッシュ混合セメント組成物を製造する、フライアッシュ混合セメント組成物の製造方法。
本発明によれば、フライアッシュ混合セメントに、特定の粒度構成を有する石灰石微粉末を含めるだけで、フライアッシュ混合セメントの強度発現性が向上し、また、強度発現性が向上したフライアッシュ混合セメント組成物を簡易に製造することができる。
本発明は、前記のとおり、特定の粒度構成を有する石灰石微粉末を含むフライアッシュ混合セメント組成物と、その製造方法に関するものである。以下、本発明について、フライアッシュ混合セメント組成物と、その製造方法に分けて詳細に説明する。
1.フライアッシュ混合セメント組成物
本発明のフライアッシュ混合セメント組成物の必須の構成成分は、(A)ポルトランドセメントクリンカー(粉砕物)、(B)石膏(粉砕物)、(C)石灰石微粉末、および(D)フライアッシュであり、これらの構成成分の順に以下に説明する。
(A)ポルトランドセメントクリンカー
本発明に用いるポルトランドセメントクリンカーは、特に限定されず、例えば、普通ポルトランドセメントクリンカー、早強ポルトランドセメントクリンカー、超早強ポルトランドセメントクリンカー、中庸熱ポルトランドセメントクリンカー、および、低熱ポルトランドセメントクリンカー等から選ばれる1種以上が使用できる。また、全材齢にわたって良好な強度発現性を得るためには、ポルトランドセメントクリンカー中のエーライト(CS)とビーライト(CS)の質量比(CS/CS)は、好ましくは1.5〜8.0、より好ましくは3.5〜7.5、さらに好ましくは3.0〜7.0である。
なお、ポルトランドセメントクリンカー中のCS、CS、CA(アルミネート相)、およびCAF(フェライト相)の各含有率は、該セメントクリンカー(全量)を100質量%として、該セメントクリンカー原料やセメントクリンカー(焼成物)中の下記の化学成分に基づき、下記のボーグの計算式を用いて算出する。
S(質量%)=(4.07×CaO(質量%))−(7.60×SiO(質量%))−(6.72×Al(質量%))−(1.43×Fe(質量%))
S(質量%)=(2.87×SiO(質量%))−(0.754×CS(質量%))
A(質量%)=(2.65×Al(質量%))−(1.69×Fe(質量%))
AF(質量%)=3.04×Fe(質量%)
(B)石膏
本発明に用いる石膏は、例えば、二水石膏、半水石膏、および無水石膏等から選ばれる1種以上が挙げられる。
これらの中でも、フライアッシュ混合セメント組成物の流動性および強度発現性の観点から、二水石膏と半水石膏の混合物を用いることが好ましい。二水石膏と半水石膏の合計100質量%中の半水石膏の割合は、セメント組成物の流動性および強度発現性の観点から、SO換算で、好ましくは10〜95質量%、より好ましくは20〜90質量%、特に好ましくは30〜85質量%である。
本発明のフライアッシュ混合セメント組成物100質量%中のポルトランドセメントクリンカー粉砕物と石膏(SO換算)の合計の含有率は、強度発現性の観点から、58〜94.5質量%、好ましくは60〜90質量%、より好ましくは65〜87質量%である。
また、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物と石膏(SO換算)の合計100質量%中の石膏(SO換算)の含有率は、強度発現性の観点から、1.0〜2.5質量%、好ましくは1.1〜2.4質量%、より好ましくは1.3〜2.3質量%である。
さらに、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物と石膏(SO換算)の合計100質量%中の全SOの含有率は、強度発現性の観点から、好ましくは1.5〜3.5質量%、より好ましくは1.7〜3.3質量%、さらに好ましくは1.9〜3.0質量%である。
(C)石灰石微粉末
本発明に用いる石灰石微粉末は、石灰石微粉末100質量%中に粒径が10μm未満の石灰石粒子を30質量%以上含む石灰石微粉末である。ここで、粒径が10μm未満の粒子とは、網目が10μmのふるいを通過した粒子をいう。
前記フライアッシュ混合セメント組成物に含まれる石灰石微粉末は、フライアッシュ混合セメント組成物の製造方法の違いにより、(i)外部から添加した予め粉砕してなる石灰石微粉末と、(ii)外部から添加した石灰石を同時に粉砕してなる石灰石微粉末の2種類の態様がある。したがって、前記粒径が10μm未満の石灰石粒子を30質量%以上含む石灰石微粉末は、これらの石灰石微粉末が対象になる。具体的には、前記[4]に記載の製造方法における石灰石微粉末は、(i)外部から添加した予め粉砕してなる石灰石微粉末であり、前記[5]と[6]に記載の製造方法における石灰石微粉末は、(ii)外部から添加した石灰石を同時に粉砕してなる石灰石微粉末である。
なお、粒径が10μm未満の石灰石粒子の含有率は、好ましくは40質量%以上、より好ましくは50質量%以上である。網目が10μmのふるいを通過した石灰石粒子の含有率は、エアジェットシーブやスピンエアーシーブ等の気流式ふるい分け測定装置を用いて測定できる。
また、本発明のフライアッシュ混合セメント組成物中の石灰石微粉末の含有率は、強度発現性の観点から、0.5〜7質量%、好ましくは2〜7質量%、より好ましくは3〜7質量%である。
さらに、本発明のフライアッシュ混合セメント組成物に含まれる石灰石微粉末は、JIS M 8850「石灰石分析方法」、またはJIS R 5204「セメントの蛍光X線分析方法」により求まる酸化アルミニウム(Al)の含有率が、好ましくは1.0質量%以下、より好ましくは0.7質量%以下である。また、前記石灰石微粉末は、前記JIS M 8850、またはJIS R 5204により求まる酸化カルシウム(CaO)の含有率を変数とする下記式(1)で表される炭酸カルシウムの含有率が、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上である。
CaCO=CaO×100.09/56.08 ・・・(1)
ただし、前記(1)式中、CaCOは石灰石中の炭酸カルシウムの含有率(質量%)を表し、CaOはJIS M 8850、またはJIS R 5204により求まる石灰石中の酸化カルシウムの含有率(質量%)を表す。
(D)フライアッシュ
本発明のフライアッシュ混合セメント組成物中のフライアッシュの含有率は、強度発現性の観点から、5〜35質量%、好ましくは10〜30質量%、より好ましくは10〜25質量%である。
本発明に用いるフライアッシュは、コンクリート混和材料またはセメント混合材として使用されるフライアッシュであれば特に限定されず、例えばJIS A 6201「コンクリート用フライアッシュ」に規定されるI種またはII種に相当するフライアッシュが挙げられる。
2.フライアッシュ混合セメント組成物の製造方法
次に、フライアッシュ混合セメント組成物の3種類の製造方法について説明する。
(1)ポルトランドセメントクリンカー、および石膏を同時に粉砕して得た2成分混合物と、石灰石微粉末およびフライアッシュの混合
本発明のフライアッシュ混合セメント組成物の第1の製造方法は、ポルトランドセメントクリンカー、および石膏を同時に粉砕して得た2成分混合物、粒径が10μm未満の石灰石粒子を30質量%以上含む石灰石微粉末、およびフライアッシュを混合して製造する方法である。
ポルトランドセメントクリンカー、および石膏を同時粉砕するための粉砕装置は、転動ボールミルや縦型ローラミル等の粉砕機や、サイクロンエアセパレータ等の乾式流体分級機を組み合わせた一般的なセメントの仕上げ粉砕装置等が使用できる。混合操作に用いる装置は、フライアッシュセメントの製造に通常用いる装置、例えば、連続式またはバッチ式を問わず、容器回転型、容器固定型、および粒体運動型等の混合装置が使用できる。
(2)ポルトランドセメントクリンカー、石膏、および石灰石を同時に粉砕して得た3成分混合物とフライアッシュの混合
本発明のフライアッシュ混合セメント組成物の第2の製造方法は、ポルトランドセメントクリンカー、石膏、および石灰石を、石灰石微粉末中の粒径が10μm未満の石灰石粒子の含有率が、石灰石微粉末100質量%に対し30質量%以上になるように、粉砕装置の運転条件を調整して同時に粉砕して得られた3成分混合物に、所定量のフライアッシュを混合して製造する方法である。
ポルトランドセメントクリンカー、石膏、および石灰石を同時に粉砕するための粉砕装置は、前記(1)と同じである。また、粉砕物(3成分混合物)中の石灰石微粉末の含有率(質量%)の確認には、測定の簡便さの点から、好ましくは、X線回折法による各種定量分析法や、熱重量測定等の各種熱分析法を用いる。さらに、粉砕物中の石灰石微粉末の粒径が10μm未満の粒子の含有率(質量%)は、当該粉砕物を走査電子顕微鏡(SEM)で観察して、粉砕物中の石灰石微粉末を特定し、該粉末の粒径から推定することができる。
(3)ポルトランドセメントクリンカー、石膏、石灰石、およびフライアッシュの同時粉砕
本発明のフライアッシュ混合セメント組成物の第3の製造方法は、ポルトランドセメントクリンカー、石膏、石灰石、およびフライアッシュを、石灰石微粉末中の粒径が10μm未満の石灰石粒子の含有率が、石灰石微粉末100質量%に対し30質量%以上になるように、粉砕装置の運転条件を調整して同時に粉砕して製造する方法である。
なお、粉砕装置や、粉砕物中の石灰石微粉末の含有率(質量%)や10μm未満の粒子の含有率(質量%)の確認は、前記(1)と同じである。
前記(1)〜(3)の製造方法において、各成分の混合物のブレーン比表面積は、粉砕の手間やコストの低減、フライアッシュ混合セメント組成物の流動性、および強度発現性の観点から、いずれの場合でも、好ましくは3000〜5000cm/g、より好ましくは3100〜4600cm/gである。
なお、本発明のフライアッシュ混合セメント組成物は、異なるポルトランドセメントクリンカーを用いて製造した2種以上のフライアッシュ混合セメント組成物を混合して用いてもよい。
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
1.使用材料
(1)フライアッシュ
表1に示す、銘柄の異なるフライアッシュAおよびB(共にJIS A 6201のII種に相当する)を使用した。
Figure 2017149638
(2)2成分混合物
表2に示すポルトランドセメントクリンカー1〜3のそれぞれと、石膏を混合して、同時に粉砕して2成分混合物を作製した。具体的には、排脱二水石膏(住友金属社製)と、該排脱二水石膏を140℃で加熱して得られた半水石膏を、二水石膏/半水石膏の質量比(SO換算)が1の割合で混合した石膏を、2成分混合物中に含まれる全SOが2.2±0.2質量%(ただし、石膏(SO換算)の含有率は1.3〜1.7質量%)となるように、ポルトランドセメントクリンカーに添加した後、バッチ式ボールミルを用いて同時に粉砕して、ブレーン比表面積が3300±100cm/gの表3に示す2成分混合物1〜3(ただし、数値はポルトランドセメントクリンカーの数値に対応する。)を作製した。
また、表2に示すポルトランドセメントクリンカー4と、前記と同様に、二水石膏/半水石膏の質量比が1の割合で混合してなる石膏を、2成分混合物中に含まれる全SOが2.8質量%(ただし、石膏(SO換算)の含有率は2.15質量%)となるように、ポルトランドセメントクリンカーに添加した後、バッチ式ボールミルを用いて同時に粉砕して、ブレーン比表面積が4480cm/gの表3に示す2成分混合物4を作製した。
さらに、表3に示す2成分混合物3と2成分混合物4を混合して、表3に示す2成分混合物5を作製した。なお、2成分混合物5中のポルトランドセメントクリンカー中のCS/CSの質量比は5.1である。
得られた2成分混合物(ポルトランドセメント)の物性を表3に示す。
Figure 2017149638
Figure 2017149638
(3)石灰石微粉末
表4の舗装用の石灰石微粉末イを粉砕して、10μmふるい通過分が異なる石灰石微粉末ロおよびハを作製した。
Figure 2017149638
2.圧縮強さ試験
(1)セメント組成物
表1に記載のフライアッシュAおよびBと、表3に記載の2成分混合物1〜5と、表4に記載の石灰石微粉末イ〜ハを、表5に示す種類の組合せと混合率に従い混合して、強度発現性評価用のセメント組成物1〜15を作製した。
Figure 2017149638
(2)モルタルの圧縮強さ試験
JIS R 5201「セメントの物理試験方法」に準拠して、材齢7日、28日および91日のモルタルの圧縮強さを測定した。各材齢におけるモルタル圧縮強さを表6に示す。
なお、表6に示すように、実施例1〜5は、それぞれセメント組成物3、6、9、12、および15を用い、比較例1〜5は、それぞれセメント組成物2、5、8、11、および14を用い、また、基準となるセメント組成物(従来のポルトランドセメント)である参考例1〜5は、それぞれセメント組成物1、4、7、10、および13を用いた。
Figure 2017149638
表6において、それぞれの実施例、比較例、および参考例の圧縮強さを比べて分かるように、特定の粒度構成を有する石灰石微粉末を含む実施例のモルタルの圧縮強さは、全材齢において、比較例のモルタルの圧縮強さよりも高く、強度発現性が向上している。特に、ポルトランドセメントクリンカー中のCS/CSの質量比が3.9〜6.9である実施例3〜5のモルタルの圧縮強さは、参考例3〜5のモルタルの圧縮強さと同程度かそれ以上であり、強度発現性が大きく向上している。
したがって、本発明のフライアッシュ混合セメント組成物は、長期強度の発現性を損なうことなく初期強度が高いと云える。
3.実施例6
表2に示すポルトランドセメントクリンカー4に、前記と同様に、二水石膏/半水石膏の質量比(SO換算)が1の割合で混合してなる石膏と、表4に記載の石灰石微粉末イを添加して混合した後、バッチ式ボールミルを用いて同時に粉砕し、ブレーン比表面積が4550cm/gの3成分混合物6を作製した。
次に、該3成分混合物6に、表1に記載のフライアッシュBを混合して、セメント組成物16を作製した。なお、セメント組成物16中のフライアッシュの含有率は20質量%、石灰石微粉末(ただし、10μm未満の石灰石粒子の含有率は70質量%以上である。)の含有率は3質量%であり、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物と石膏の2成分中の石膏(SO換算)の含有率は2.15質量%(ただし、全SOの含有率は2.8質量%である。)である。
セメント組成物16を用いたモルタルの圧縮強さを、前記と同様に測定した結果、材齢7日では53.3N/mm、材齢28日では66.8N/mm、および材齢91日では72.0N/mmであり、表6の実施例4のモルタルの圧縮強さと同程度またはそれ以上の強さを有していた。

Claims (6)

  1. 下記(A)〜(C)成分を下記の含有率で含む、フライアッシュ混合セメント組成物。
    (ただし、下記(A)〜(C)成分の合計は100質量%である。)
    (A)ポルトランドセメントクリンカー粉砕物と石膏(SO換算)の混合物:58〜94.5質量%(ただし、該混合物100質量%中に、石膏(SO換算)は1.0〜2.5質量%含まれる。)
    (B)石灰石微粉末:0.5〜7質量%(ただし、該石灰石微粉末100質量%中に、粒径が10μm未満の石灰石粒子は30質量%以上含まれる。)
    (C)フライアッシュ:5〜35質量%
  2. 前記ポルトランドセメントクリンカー中のエーライト(CS)とビーライト(CS)の質量比(CS/CS)が1.5〜8.0である、請求項1に記載のフライアッシュ混合セメント組成物。
  3. 前記質量比(CS/CS)が3.5〜7.5である、請求項1または2に記載のフライアッシュ混合セメント組成物。
  4. ポルトランドセメントクリンカーと石膏を同時に粉砕して得た2成分混合物、粒径が10μm未満の石灰石粒子を30質量%以上含む石灰石微粉末、およびフライアッシュを混合して、請求項1〜3のいずれか1項に記載のフライアッシュ混合セメント組成物を製造する、フライアッシュ混合セメント組成物の製造方法。
  5. ポルトランドセメントクリンカー、石膏、および石灰石を同時に粉砕して得た3成分混合物と、フライアッシュを混合して、請求項1〜3のいずれか1項に記載のフライアッシュ混合セメント組成物を製造する、フライアッシュ混合セメント組成物の製造方法。
  6. ポルトランドセメントクリンカー、石膏、石灰石、およびフライアッシュを同時に粉砕して、請求項1〜3のいずれか1項に記載のフライアッシュ混合セメント組成物を製造する、フライアッシュ混合セメント組成物の製造方法。

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