JP3178836B2 - 低発熱型セメント組成物 - Google Patents
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Description
主に非晶質からなる低発熱型セメント組成物、および該
組成物を主とする組成物に刺激材を混合した新規なる低
発熱型セメント組成物に関する。
ンクや原子力発電所の基礎など、マッシブ(massive)
なコンクリート建築工事では、コンクリートを打設した
さいセメントの水和熱が硬化コンクリートに畜熱する。
その結果、硬化したコンクリートは内部の温度が高くな
り、その表面付近は外気温に近い低い温度となる。その
両者間の温度の差が熱膨張率の差として現れ、ひび割れ
が発生する。
や、その製造方法などが研究されている。たとえば、ポ
ルトランドセメントに含まれる鉱物の構成割合を変更し
たり(たとえば、水和熱の小さいけい酸二石灰を主成分
とする)、あるいはセメントの粒子分布を変更したり、
又は現場的にはモルタルやコンクリートを混練するとき
水/セメントを小さくする方法などである(セメント協
会主催、第249回コンクリート講習会テキスト、pp35〜4
3(1990))。
スラグが、またそのスラグとセメントとを配合した混合
セメントも知られている。
11巻、pp125〜133(1957)である。この文献には、試料
としてセメントメーカーが、市販のスラグとポルトラン
ドセメントを30〜70:70〜30(重量比)に配合した各種
の混合セメント(高炉セメント)を製造し、これを用い
てモルタルをつくり、その硬化体における材令90日の圧
縮強度(σn)/水和熱(Hn)を測定したところ、5.0
〜6.8であったと記載されている。その結果、この混合
セメントは必ずしも低発熱型ではなく、もし水和熱を中
庸熱セメントと同程度にしたいならば、スラグの配合量
を50〜60%にした混合セメントが適当であると結論ずけ
ている。
の組成はCaO38.7〜41.9%、SiO231.8〜34.3%(CaO/SiO
2(モル比)=1.21〜1.41)、Al2O314.4〜19.2%、その
他MgOなどの不純物数%を含む。
56(1952)の記載である。すなわち、原料を溶融して急
冷し、組成の異なる多数のCaO−SiO2−Al2O3系組成物を
合成したのち、比表面積3100cm2/g前後に粉砕してスラ
グ粉末を製造する。次いでそれらスラグ粉末とポルトラ
ンドセメント(刺激材)とを重量比で0.8:0.2の割合に
配合した混合セメントを製造する。その混合セメントを
用いて、砂/混合セメント=1、水/混合セメント=0.
45のモルタル混練物を製造したのち、直径1cm、高さ2cm
に成形してモルタル硬化体をつくり、材令1週と4週に
おける圧縮強度の測定結果を示している。その結論とし
て、比較的高い圧縮強度を発現するスラグの組成は、Ca
O47〜52%、SiO233〜37%(CaO/SiO2(モル比)=1.36
〜1.69)、Al2O314〜18%の範囲が最適であると説明さ
れている。なおこの文献には水和熱の記載はない。
ドセメントは、材令1週および13週における圧縮強度が
100〜200kg/cm2、300〜500kg/cm2と低く、水和熱のそれ
らが50〜70cal/g、80〜95cal/gと相当高い。材令13週の
圧縮強度/水和熱は3.1〜6.3である。
は、コンクリート混練物を打設し硬化させたのち散水し
冷却するか、あるいは該混練物を部分的に打設した状態
で長期間放置し、硬化したコンクリート内の熱を放散さ
せ降温させ、次いで隣接部分を新たなコンクリート混練
物で打ち継いで行く方法が採用されている。それゆえ散
水冷却作業工程を要するか、あるいは自然放冷により工
期が著しく長期化するなど、それぞれに欠点を有してい
た。
ライアッシュ系混合セメントや前記けい酸二石灰を主と
するセメントも知られているが、いずれも圧縮強度が著
しく低いため、それらセメントはマッシブなコンクリー
トには殆ど利用されず、専ら特殊条件下での用途にのみ
少量採用されているにすぎない。
トの建設工事に採用するにあたり、長期材令における圧
縮強度および水和熱の両方を満足しなかったため、それ
に替る新たなセメントの出現が待たれていた。
施工するには、使用するセメントが、長期間、低水和熱
であることおよび適当な圧縮強度を発現することの両方
が重要である。
特性の評価(圧縮強度、水和熱)は、材令1週あるいは
4週でも判断できるが、上記のことを考慮すると、マッ
シブなコンクリートに使用するセメントは4週以下のよ
うな短期材令のみで評価するのは適当でない。しかも前
記2特性は、密接に関連しているから、それらを一つの
パラメーターとして評価するのが最適である。
価は、材令13週における圧縮強度/水和熱による評価が
適切であると判断した。
iO2−Al2O3系組成物を中心に、下記の目的をもって鋭意
研究した。
系、特にAl2O3含有量の少ない領域における主に非晶質
からなるセメント組成物、さらに該系に刺激材を組み合
わせて改良したセメント組成物を開発することにある。
少なくとも7.0以上であるセメント組成物を開発するこ
とにある。
慢であり、圧縮強度も水和熱も長期間にわたって発現し
発熱する。材令4週での該組成物はまだ反応過程にあ
り、その時点の測定値から圧縮強度や水和熱の最高値を
推定することは無理であり、また測定値はバラツキが大
きく、信頼性が低い。このような観点から、本願発明の
セメント組成物に係る前記2特性の評価は、材令13週に
おける測定結果を主にして行なった。
SiO2(モル比)が0.8〜1.5、Al2O3が1.0〜10.0重量%で
あるCaO−SiO2−Al2O3系の低発熱型セメント組成物であ
る。
一部は、それ自体実験室的に合成され公知である。しか
し、この公知の組成物は、材令4週の圧縮強度が著しく
低く、実用性なし(水和熱も無視された)、としてマッ
シブなコンクリートへの適用の可否も検討されずに、不
明のまま、現在に至っている。
られるCaO−SiO2−Al2O3系を主とする高炉スラグは、高
炉の操業や銑鉄の純度を良くするため、Al2O3含有量が1
4〜18重量%に調整されており、Al2O314重量%以下は製
造されていない。
について種々の角度から研究した結果、適当に粉砕され
た特定領域の組成物(つまり第1発明として示した組成
物)が、マッシブなコンクリートを製造するために要求
される材令13週における水和熱も低く、適度な圧縮強度
も発現して、圧縮強度/水和熱の条件に適合しているこ
とを突き止めた。この点に第1発明の特徴がある。
として十分実用性を有していることを確認した。
が5.0〜6.8であるのに対し、本願発明のセメント組成物
は7.0〜15であり、相当高く、産業上十分に利用でき
る。望ましいのは8.0以上、より望ましくは10.0以上で
ある。
ラス化率と言う)は、60%以上、好ましくは80%以上で
ある。
の鉱物は、使用された原料中の不純物あるいは製造条件
(溶融条件や冷却速度など)のバラツキにより生成した
ものである。主な鉱物はワラストナイト(CaO・Si
O2)、ランキナイト(3CaO・2SiO2)、けい酸二石灰(2
CaO・SiO2)、ゲーレナイト(2CaO・AlO2O3・SiO2)な
どである。これら鉱物は、水和をしないか、または水和
反応が極端に緩慢なので、殆ど水和熱を高めるような悪
影響はない。つまり圧縮強度/水和熱を低下させること
はない。
合物からなり、その他は前述した原料、製造工程などか
ら不可避的に混入した不純物である。
くなると共に、原料溶融物を氷水中に投入し急冷しても
結晶質の割合の多いセメント組成物ができ、そのため圧
縮強度が低く、かつ水和熱が高くなり好ましくない。一
方0.8未満にすると、溶融温度および非晶質化条件への
影響はほとんどないが、セメント組成物の水和反応が極
端に遅くなり、圧縮強度も殆ど発現せず、圧縮強度/水
和熱も小さくなるので好ましくない。好ましい範囲は0.
9〜1.4、より好ましくは1.0〜1.3である。
面、原料の溶融温度は上昇し、非晶質の割合および初期
強度が低下する傾向を示す。それゆえセメント組成物を
利用する上で、初期強度が極端に低すぎると13週での強
度の発現も低く、結果として圧縮強度/水和熱も小さく
かつ長期間型枠が脱型できないので好ましくない。この
ことからAl2O3含有量は少なくとも1.0重量%以上必要で
ある。また、Al2O3が10.0%を超えると、非晶質の割合
も圧縮強度も極端に低下するので好ましくない。水和熱
を抑制するために、その含有量を10.0重量%以上、適当
な初期強度を発現させるために1.0重量%以上含有させ
ることが肝要である。好ましいAl2O3含有量は2.0〜8.0
重量%、最も好ましいのは3.0〜6.0重量%である。
かくなるほど圧縮強度は向上する傾向にある。しかし水
和熱への影響は意外と小さい。それゆえ、セメント組成
物の使用目的によっては、細かいものが好ましい場合も
あるが、あまり細かくすると製造コストが高くなり経済
的に不利である。望ましい細かさは4000〜10000cm2/gで
ある。
石)及びAl2O3用原料(例、アルミナ)の各粉末を前述
した化学的比率・組成になるように混合する。この場
合、Al2O3用原料は、CaO用原料およびSiO2用原料に十分
な量のAl2O3が含有されていれば、必ずしも用いなくて
もよい。得られた混合原料を慣用の溶融炉(例、電気
炉)に投入し、十分に溶融(1350℃以上)したのち、溶
融物を氷水中に投入して急冷し、直ちに取り出す。引き
続き常用の粉砕手段(例、ボールミル)で所望の細かさ
に粉砕することにより、第1発明の低発熱型セメント組
成物が製造される。
3が1.0〜12.0重量%未満、かつ主に非晶質物からなるCa
O−SiO2−Al2O3系の粉末組成物と、刺激材とを、それぞ
れ70重量%以上、30重量%以上混合してなる低発熱型セ
メント組成物である。
/水和熱をほぼ維持する一方、初期における水和を速め
て凝結時間の短縮、初期強度の向上などを狙ったセメン
ト組成物である。具体的には、第1発明のセメント組成
物の凝結時間(始発)は5時間以上であったが、第2発
明ではそれを約2時間近く短縮する。
である。
で説明した実質的に3化合物からなること、不純物、Ca
O/SiO2(モル比)の範囲、非晶質の含有量、粉末の細か
さおよび製造方法は、第1発明で説明したセメント組成
物と同じであるので、ここではAl2O3含有量について述
べる。
セメント組成物より多く12重量%未満までのものが使用
可能である。
なり、つまりは圧縮強度/水和熱が低くなるので好まし
くない。1.0重量%以下が好ましくない理由は第1発明
の場合と同じである。好ましい含有量は2〜10重量%、
より好ましくは3〜8重量%である。
類、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物に属
するものの中から1種又は2種以上を併用することがで
きる。
強・中庸熱ボルトランドセメントおよびクリンカー、混
合セメント(高炉セメント、フライアッシュセメントな
ど)などが、石こう類として二水・半水・無水石こう
が、アルカリ金属化合物として水酸化ナトリウム、炭酸
ナトリウム、水酸化カリウムなどが、アルカリ土類金属
化合物として水酸化カルシウム、酸化カルシウムなどが
挙げられる。好ましい刺激材は普通ポルトランドセメン
トである。
刺激材の割合が30重量%を超えると水和熱が大きくな
り、つまりは圧縮強度/水和熱が低くなるので好ましく
ない。好ましい刺激材の割合は0.1〜15重量%である。
なお刺激材として石こう類を用いる場合の混合割合は、
SO3換算値で0.1〜5.0重量%が好ましい。
たがって行なえばよく、本願発明では特に限定しない。
を損わない範囲において市販のスラグ、フライアッシ
ュ、ポゾラン、石灰石、けい石などの粉末を添加しても
よい。
は次のとおりである。
(モル比)、Al2O3含有量などを特定した非晶質を主と
するセメント組成物の発明であり、第2発明は、該組成
物の場合よりAl2O3含有量が2重量%多い範囲まで含め
た粉末組成物と刺激材とを混合してなる、いわゆる前者
の改良型のセメント組成物に係る発明である。
視されてきた領域のCaO−SiO2−Al2O3系組成物を、マッ
シブなコンクリートへの利用目的のもとに、長期的立場
にたって圧縮強度と水和熱に着目し、特に材令13週にお
ける圧縮強度/水和熱の観点より開発された新たなセメ
ントである。
められる諸条件を十分に満たしている。かかるセメント
組成物の出現は、セメントを重容な建設資材として使用
する建設業界への貢献が非常に大きい。
造した硬化体を加熱(900℃付近)すると、ウォラスト
ナイト(CaO・SiO2)が生成するため、通常のポルトラ
ンドセメントで製造した硬化体よりも耐熱性が勝る。そ
のうえ、本願発明のセメント組成物のCaO含有量が、一
般のポルトランドセメントのそれより約20重量%も少な
いことは、該セメント組成物の製造過程で放出される
CO2ガス量が少ない、GRC(繊維補強コンクリート)
は、従来からセメントのCaOに基づく劣化が問題であっ
たが、そのGRC用セメントとして有用であるという副次
的効果を奏する。
記3特性を測定した。
度99.8重量%比表面積4030cm2/g ●SiO2用原料:日窒工業社製「ハイシリカFS−1」純度
99.6重量%平均粒子径4.2μm ●Al2O3用原料:昭和電工社製「細粒アルミナAL−45−
H」純度99.9重量%平均粒子径3.0μm まず上記CaO用原料としてSiO2用原料とを用いて、表
1に示すCaO/SiO2(モル比)の割合になるように混合し
た。得られた各混合物に、Al2O3含有量が8.0重量%にな
るようにAl2O3用原料を混合した。次いでバインダーと
してポリブチルアルコール及び溶媒としてエチルアルコ
ールを添加して混合したのち、直径5〜10mmのペレット
をつくった。
た。続いて電気炉で1750℃、30分溶融後、溶融物を氷水
中に投入して急冷し、直ちに取り出した。なお表1、実
験No.4は、溶融物を空気中で放冷した。
00±100cm2/gの粉末を製造した。
により測定し、「ガラス化率」として表示し、圧縮強度
及び水和熱は日本工業規格(JIS)で測定した。圧縮強
度は、JIS R 5201「セメントの物理試験方法」に準
じ該粉末520重量部、標準砂1040重量部および水338重量
部を混練してモルタル混練物(水/セメント組成物=0.
65)をつくり、寸法4×4×16cmに成形し、得られた供
試体を表1に示す材令に応じて測定した。
り測定した。
間混練し、得られたペーストをJIS R 5203「セメン
トの水和熱測定方法(溶解熱方法)」に準じて測定し
た。
熱、および圧縮強度を一定(300kgf/cm2)にしたときの
推定水和熱を表2に併記した。本発明は実験No.3〜6で
ある。
特性を調べた。
(モル比)を1.20で一定にし、かつAl2O3用原料を表3
に示す割合になるように混合した以外は、実施例1の手
順にしたがって該粉末を製造し、測定し、得られた結果
を表3および表4に併記した。
急冷物の一部を比表面積4660cm2/gに粉砕したものを選
択した。この粉末のCaO/SiO2(モル比)を1.20、Al2O3
含有量は8.0重量%である。
2/g ・水酸化カルシウム 奥多摩工業社製 消石灰超特号
12000cm2/g ・無水石こう 関東化学社製の特級試薬硫酸カルシウム
を600℃、1時間加熱処理後、粉砕したもの10000cm2/g ・炭酸ナトリウム 関東化学社製 特級試薬炭酸ナトリ
ウム粉末 上記粉末組成物と刺激材とを表5に示す割合(内割)
で、混合機によって十分に混合してセメント組成物を製
造し、実施例1の要領に準じて各特性を測定し、得た結
果を表5、表6に併記した。なお無水石こうの混合割合
はSO3換算値、炭酸ナトリウムはNa2O換算値である。
メント社製、比表面積3420cm2/g)および刺激材として
用いた普通ポルトランドセメントも測定し、結果を表
5、表6に併記した。本発明は実験No.13〜16、18〜20
である。
対する刺激材の影響を調べた。
冷物を製造し比表面積4500±100cm2/gに粉砕した。得た
各粉末と、実施例3で用いた普通ポルトランドセメント
とを90重量%、10重量%の割合に混合してセメント組成
物を製造した。
を測定し、結果を表7に併記した。本発明は実験No.24
〜27および30である。
領で行なった。
冷物(CaO/SiO2(モル比)1.20、Al2O310.0重量%)を
粉砕して比表面積3520cm2/gの粉末を製造した。その粉
末と、実施例3で用いた普通ポルトランドセメントとを
80重量%、20重量%の割合に混合してセメント組成物を
得た。そのセメント組成物について実施例1に準じて各
特性を測定し、結果を表8に掲載した。本発明は実験N
o.31〜32である。
いてセメント組成物を製造し、各特性を調べた。
g B:石灰石 奥多摩工業社製 比表面積2000cm2/g C:けい石 埼玉県御堂産 比表面積3000cm2/g D:頁岩 埼玉県秩父産 比表面積2000cm2/g E:もみがらの灰 比表面積10000cm2/g F:バン土頁岩 比表面積3000cm2/g 上記原料を組み合わせて表10のように混合したのち、
実施例1の手順にしたがってCaO/SiO2(モル比)が1.2
0、Al2O3含有量が10.0重量%の粉末組成物3種類を製造
した。それら粉末と、実施例3で用いた普通ポルトラン
ドセメントとを90重量%、10重量%の割合に混合してセ
メント組成物を得た。それらセメント組成物について実
施例1の測定方法に準じて各特性を測定し、得られた結
果を表11に掲載した(なお粉末組成物の比表面積も同表
に示した)。本発明は実験No.33〜35である。
に融剤を添加した場合、混合原料の融点に影響するか否
かを調べた。
2O3)を表12に示す割合(外割)で加えた点および溶融
温度を1500℃にした点以外は、実施例1にしたがって粉
末組成物(CaO/SiO2(モル比)1.20、Al2O3含有量が10.
0重量%、比表面積5000±100cm2/g)を製造した。それ
ら粉末組成物と、実施例3で用いた普通ポルトランドセ
メントとを90重量%、10重量%の割合に混合したセメン
ト組成物を得た。そのセメント組成物について実施例1
の測定方法に準じて各特性を測定すると共に、融剤を含
む混合原料の融点も測定し、それらの結果を表12に併載
した。
んら影響を及ぼさないことが判明した。
混合して得られたセメント組成物をペーストにしたとき
の特性を調べた。
「ハイシリカF5」および昭和電工社製「細粒アルミナA
−420」を重量比でCaO:SiO2:Al2O3が51:41:8(CaO/SiO2
(モル比)=1.33、Al2O38重量%)の割合になるように
混合し、バインダーとしてポリビニールアルコールと、
溶媒としてエタノールを加えて混合し成形しペレットと
した。
で30分間仮焼した。その後、ランタンクロマイド発熱体
を具備した電気炉を用いて1700℃で30分間溶融したの
ち、溶融物を氷水中に投入して急冷した。
積4000cm2/gに粉砕して、粉末組成物(比重2.96)を得
た。この粉末組成物をXRD検査したところ、結晶質は全
く認められなかった。
10重量部を添加し、十分に混合して、3種類のセメント
組成物(試料)を製造した。刺激材には実施例3で用い
た普通ポルトランドセメント、無水石こうおよび水酸化
カルシムである。
え、3分間混練しペーストをつくった。その一部を、寸
法2×2×8cmに成形した強度試験用供試体を作製し、
材令に応じて圧縮強度を測定した。残部は前記JIS R
5203に準拠して、各材令における水和熱をそれぞれ測
定した。結果を表13に記載した。本発明は実験No.39〜4
1である。なお、中庸熱ポルトランドセメント(日本セ
メント社製、3250cm2/g)についても同様の試験を行な
った。
Claims (25)
- 【請求項1】CaO/SiO2(モル比)が0.8〜1.5、Al2O3含
有量が1.0〜10.0重量%、かつ主に非晶質からなる低発
熱型セメント組成物 - 【請求項2】非晶質の割合が80重量%以上である請求の
範囲第1項の低発熱型セメント組成物 - 【請求項3】CaO/SiO2(モル比)が0.9〜1.4である請求
の範囲第1項の低発熱型セメント組成物 - 【請求項4】CaO/SiO2(モル比)が1.0〜1.3である請求
の範囲第1項の低発熱型セメント組成物 - 【請求項5】Al2O3含有量が2.0〜8.0重量%である請求
の範囲第1項の低発熱型セメント組成物 - 【請求項6】Al2O3含有量が3.0〜6.0重量%である請求
の範囲第1項の低発熱型セメント組成物 - 【請求項7】細かさが3000cm2/g以上である請求の範囲
第1項の低発熱型セメント組成物 - 【請求項8】細かさが4000〜10000cm2/g以上である請求
の範囲第1項の低発熱型セメント組成物 - 【請求項9】材令13週における圧縮強度/水和熱が7.0
以上である請求の範囲第1項の低発熱型セメント組成物 - 【請求項10】材令13週における圧縮強度/水和熱が8.
0以上である請求の範囲第1項の低発熱型セメント組成
物 - 【請求項11】酸化ホウ素が含まれている請求の範囲第
1項の低発熱型セメント組成物 - 【請求項12】CaO/SiO2(モル比)が0.8〜1.5、Al2O3
含有量が1.0〜12.0重量%未満、かつ主に非晶質からな
る粉末組成物70重量%以上、および刺激材30重量%以下
よりなる低発熱型セメント組成物 - 【請求項13】粉末組成物の非晶質が80重量%以上であ
る請求の範囲第12項の低発熱型セメント組成物 - 【請求項14】粉末組成物のCaO/SiO2(モル比)が0.9
〜1.4である請求の範囲第12項の低発熱型セメント組成
物 - 【請求項15】粉末組成物のCaO/SiO2(モル比)が1.0
〜1.3である請求の範囲第12項の低発熱型セメント組成
物 - 【請求項16】粉末組成物のAl2O3含有量が2〜10重量
%である請求の範囲第12項の低発熱型セメント組成物 - 【請求項17】粉末組成物のAl2O3含有量が3〜8重量
%である請求の範囲第12項の低発熱型セメント組成物 - 【請求項18】粉末組成物の細かさが3000cm2/g以上で
ある請求の範囲第12項の低発熱型セメント組成物 - 【請求項19】粉末組成物の細かさが4000〜10000cm2/g
以上である請求の範囲第12項の低発熱型セメント組成物 - 【請求項20】刺激材がポルトランド系セメント、石こ
う類、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物の
いずれかである請求の範囲第12項の低発熱型セメント組
成物 - 【請求項21】刺激材が普通ポルトランドセメントであ
る請求の範囲第12項の低発熱型セメント組成物 - 【請求項22】粉末組成物と刺激材の混合割合(内割)
が85〜99.9重量%、0.1〜15重量%である請求の範囲第1
2項の低発熱型セメント組成物 - 【請求項23】材令13週における圧縮強度/水和熱が7.
0以上である請求の範囲第12項の低発熱型セメント組成
物 - 【請求項24】材令13週における圧縮強度/水和熱が8.
0以上である請求の範囲第12項の低発熱型セメント組成
物 - 【請求項25】粉末組成物に酸化ホウ素が含まれている
請求の範囲第12項の低発熱型セメント組成物
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