JP4190387B2 - セメント混和材及びセメント組成物 - Google Patents

Description

本発明は、水和熱を低下させ、かつ流動性に優れるモルタルやコンクリートを製造することができるセメント混和材及びセメント組成物に関する。

近年、セメント産業では、産業廃棄物や一般廃棄物等をセメント原料として再資源化している（例えば、特許文献１、特許文献２）。
特開昭５６−１２０５５２号公報 特開２０００−２８１３９５号公報

しかしながら、廃棄物をセメント原料として大量に使用すると、セメント中の3CaO・Al₂O₃(C₃A)量が増加し、その結果、セメントの水和熱が上昇するという問題があった。また、そのようなセメントと混和剤を用いてモルタルやコンクリートを製造する場合には、モルタルフローやスランプが小さくなり、フローロスやスランプロスが大きくなるという欠点もあった。従って、本発明の目的は、水和熱を低下させ、かつ流動性に優れるモルタルやコンクリートを製造することができるセメント混和材及びセメント組成物を提供することにある。

かかる実情において、本発明者らは、鋭意研究した結果、2CaO・SiO₂及び2CaO・Al₂O₃・SiO₂を特定の割合で含有し、3CaO・Al₂O₃と4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃の合計含有量が20質量部以下である焼成物の粉砕物を含むセメント混和材が、セメントと混合したときに、水和熱を低下させ、かつ流動性に優れるモルタルやコンクリートを製造することができることを見いだし、本発明を完成させたものである。

即ち、本発明は、2CaO・SiO₂100質量部に対して、2CaO・Al₂O₃・SiO₂を100質量部を越え2000質量部以下含有し、かつ、3CaO・Al₂O₃と4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃の合計含有量が20質量部以下である焼成物を粉砕してなることを特徴とするセメント混和材である（請求項１）。
本発明のセメント混和材は、上記請求項１記載のセメント混和材100質量部に対して、SO ₃ 換算で1〜6質量部の石膏を含むこともできる（請求項２）。
上記焼成物は、産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる一種以上を原料として製造した焼成物とすることができる（請求項３）。
また本発明は、セメントと請求項１〜３のいずれか１項記載のセメント混和材を含むセメント組成物であって、該セメント組成物100質量部中、セメント混和材を2〜50質量部含むものである（請求項４）。

本発明のセメント混和材を用いれば、セメント組成物の水和熱を低下させ、かつ流動性に優れるモルタルやコンクリートを製造することができる。
また、本発明では、産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる一種以上を原料として使用することができるので、廃棄物の有効利用の促進にも貢献することができる。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明で使用する焼成物は、2CaO・SiO₂(以降、C₂Sと略す)100質量部に対して、2CaO・Al₂O₃・SiO₂(以降、C₂ASと略す)を100質量部を越え2000質量部以下含有し、かつ、3CaO・Al₂O₃(以降、C₃Aと略す)と4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃(以降、C₄AFと略す)の合計含有量が20質量部以下のものである。
C₂AS含有量が、C₂S100質量部に対して100質量部を越えることにより、高温における融液が増加し、焼成可能温度幅は狭まるものの、焼成反応が速やかに進むようになるので好ましい。C₂AS含有量が、C₂S100質量部に対して2000質量部を越えると、モルタルやコンクリートの強度発現性や耐久性が極端に低下することがあるので好ましくない。

本発明で使用する焼成物においては、C₂S100質量部に対するC₃AとC₄AFの合計含有量は20質量部以下、好ましくは10質量部以下である。C₃AとC₄AFの合計含有量が20質量部を越えると、セメント組成物の水和熱が上昇したり、モルタルやコンクリートの流動性が低下することがあるので好ましくない。

焼成物の原料としては、一般のポルトランドセメントクリンカー原料、すなわち石灰石、生石灰、消石灰等のCaO原料、珪石、粘土等のSiO₂原料、粘土等のAl₂O₃原料、鉄滓、鉄ケーキ等のFe₂O₃原料を使用することができる。
なお、本発明においては、焼成物の原料として、前記原料に加えて、産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる一種以上を使用することができる。焼成物の原料として、産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる一種以上のものを使用することは、廃棄物の有効利用を促進させることができ好ましいことである。ここで、産業廃棄物としては、例えば、石炭灰、生コンスラッジ、各種汚泥（例えば、下水汚泥、浄水汚泥、建設汚泥、製鉄汚泥等）、ボーリング廃土、各種焼却灰、鋳物砂、ロックウール、廃ガラス、高炉２次灰、建設廃材、コンクリート廃材等が挙げられる。一般廃棄物としては、例えば、下水汚泥乾粉、都市ごみ焼却灰、貝殻等が挙げられる。建設発生土としては、建設現場や工事現場等から発生する土壌や残土、さらには廃土壌等が挙げられる。

焼成物の鉱物組成は、使用原料中のCaO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃の各含有量（質量％）から、次式により求めることができる。
(1)CaO＞（1.87×SiO₂＋1.41×Fe₂O₃）の場合
C₄AF＝3.04×Fe₂O₃
C₃A＝1.61×CaO−3.00×SiO₂−2.26×Fe₂O₃
C₂AS＝−1.63×CaO＋3.04×SiO₂＋2.69×Al₂O₃＋0.57×Fe₂O₃
C₂S＝1.02×CaO＋0.95×SiO₂−1.69×Al₂O₃−0.36×Fe₂O₃

(2)CaO≦（1.87×SiO₂＋1.41×Fe₂O₃）かつCaO≧（1.87×SiO₂）の場合
C₂S＝1.02×CaO＋0.95×SiO₂−1.69×Al₂O₃−1.08×Fe₂O₃
C₂AS＝−1.63×CaO＋3.05×SiO₂＋2.69×Al₂O₃＋2.08×Fe₂O₃
C₃A＝1.61×CaO−3.01×SiO₂

(3)CaO＜（1.87×SiO₂）の場合
C₂S＝3.84×CaO−4.3×SiO₂−1.69×Al₂O₃−1.08×Fe₂O₃
C₂AS＝2.69×Al₂O₃＋2.08×Fe₂O₃
C₃S₂＝4.8×SiO₂−2.57×CaO
（C₃S₂は3CaO・2SiO₂である）

焼成物の焼成温度は、好ましくは1000〜1350℃で、より好ましくは1150〜1350℃である。
各原料を混合する方法は、特に限定するものではなく、慣用の装置等で行えばよい。
また、焼成に使用する装置も特に限定するものではなく、例えば、ロータリーキルン等を使用することができる。ロータリーキルンで焼成する際には、燃料代替廃棄物、例えば、廃油、廃タイヤ、廃プラスチック等を使用することができる。

本発明のセメント混和材は、このようにして得られる焼成物を粉砕してなるものである。粉砕方法は、特に限定されず、例えばボールミル等を用い、通常の方法で粉砕すれば良い。
焼成物の粉砕物は、水和熱や、モルタルやコンクリートの流動性や強度発現性等から、ブレーン比表面積が2500〜5000cm²/gであることが好ましく、3000〜4500cm²/gであることがより好ましい。

本発明のセメント混和材は、上記焼成物の粉砕物に加えて石膏を含むことができる。
石膏の種類は、特に限定するものではなく、例えば、ニ水石膏、α型又はβ型半水石膏、無水石膏等を単独又は２種以上組み合わせて使用することができる。
本発明において、石膏量は、モルタルやコンクリートの流動性や強度発現性等から、焼成物の粉砕物100質量部に対して、SO₃換算で1〜6質量部であることが好ましく、2〜4質量部であることがより好ましい。

焼成物の粉砕物と石膏の混合方法は、特に限定するものではなく、例えば、
(1)焼成物と石膏を同時に粉砕する方法、
(2)焼成物を粉砕し、該粉砕物と石膏を混合する方法、
等が挙げられる。
上記(1)の場合は、焼成物と石膏は、水和熱や、モルタルやコンクリートの流動性や強度発現性等から、ブレーン比表面積2500〜5000cm²/gに粉砕することが好ましく、3000〜4500cm²/gに粉砕することがより好ましい。
上記(2)の場合は、焼成物は、水和熱や、モルタルやコンクリートの流動性や強度発現性等から、ブレーン比表面積2500〜5000cm²/gに粉砕することが好ましく、3000〜4500cm²/gに粉砕することがより好ましい。また、石膏としてはブレーン比表面積2500〜5000cm²/gのものを使用するのが好ましく、3000〜4500cm²/gのものを使用するのがより好ましい。

本発明のセメント混和材の使用量は、水和熱や、モルタルやコンクリートの流動性や強度発現性等から、セメントと本発明のセメント混和材からなるセメント組成物100質量部中、1〜100質量部が好ましく、2〜50質量部がより好ましい。

使用するセメントとしては、普通、早強、中庸熱、低熱等の各種ポルトランドセメント、これらポルトランドセメントに高炉スラグ粉末、フライアッシュ、シリカ粉末を混合した各種混合セメント、ポルトランドセメントに石灰石粉末を混合した石灰石フィラーセメント等が挙げられる。

本発明では、セメントと本発明のセメント混和材を併用してセメント組成物として使用する。本発明のセメント組成物は、それぞれの材料を施工時に混合しても良いし、あらかじめ一部あるいは全部を混合しておいても良い。
本発明のセメント組成物のブレーン比表面積は、水和熱や、モルタルやコンクリートの流動性や作業性、さらには強度発現性等から、3000〜7000cm²/gが好ましく、3000〜6000cm²/gがより好ましい。

以下、実施例により本発明を説明する。
１．焼成物の調製
原料として、下水汚泥、建設発生土と、石灰石、粘土等の一般のポルトランドセメントクリンカー原料を使用して、表１に示す組成で調合し、小型ロータリーキルンで表１に示す温度で焼成した。この際、燃料として一般的な重油のほかに、廃油や廃プラスチックを使用した。
使用した石灰石、粘土、下水汚泥、建設発生土の化学組成（質量％）は、表２に示すとおりである。

２．セメント混和材の調製
上記焼成物100質量部に対して、排脱ニ水石膏（住友金属社製）をSO₃換算で2質量部添加し、バッチ式ボールミルでブレーン比表面積が3250±50cm²/gとなるように同時粉砕した。

３．モルタル用材料
上記以外の材料を以下に示す。
セメント；普通ポルトランドセメント(太平洋セメント社製)
細骨材；「JIS R 5201(セメントの物理試験方法)」に定める標準砂
水；水道水
減水剤；ポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤(エヌエムビー社製「レオビルドSP8N」)

表３に示す割合で、普通ポルトランドセメントと各セメント混和材を混合して、セメント組成物を調製した。
得られたセメント組成物について、水和熱、モルタルフロー及びモルタル圧縮強度を評価した。
結果を表３に併せて示す。

（評価方法）
（１）水和熱
「JIS R 5203」に準じて測定した。
（２）モルタルフロー
Ｗ／Ｃ＝０．３５、Ｓ／Ｃ＝２、セメント組成物に対して0.8質量％のポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤を混合したものを、５分間混練したモルタルについて、「JIS R 5201−1997」に規定されているフローコーンを用い、「JIS R 5201」に従って、モルタルフローを測定した。
（３）モルタル圧縮強度
材令７日及び28日のモルタル圧縮強度を、「JIS R 5201」に従って測定した。

表３より、本発明のセメント混和材を使用したセメント組成物では、水和熱が低かった。また、該セメント組成物を使用したモルタルは、流動性に優れていた。さらに、該セメント組成物を使用したモルタルでは、実用上十分な圧縮強度を発現した。

Claims (4)

1. 2CaO・SiO₂100質量部に対して、2CaO・Al₂O₃・SiO₂を100質量部を越え2000質量部以下含有し、かつ、3CaO・Al₂O₃と4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃の合計含有量が20質量部以下である焼成物を粉砕してなることを特徴とするセメント混和材。
2. 請求項１記載のセメント混和材100質量部に対して、SO ₃ 換算で1〜6質量部の石膏を含むことを特徴とするセメント混和材。
3. 上記焼成物が、産業廃棄物、一般廃棄物及び建設発生土から選ばれる一種以上を原料として製造した焼成物である請求項１又は２記載のセメント混和材。
4. セメントと請求項１〜３のいずれか１項記載のセメント混和材を含むセメント組成物であって、該セメント組成物100質量部中、セメント混和材を2〜50質量部含むセメント組成物。