JP4315565B2 - セメント混和材及びセメント組成物 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、土木・建築業界において使用されるセメント混和材及びセメント組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セメントは安価でしかも、大きなコンクリート構造物を任意の形に造れる優れた材料である。更に、セメント混和材を併用することによって、構造物の強度や耐久性を向上させることが可能である。此までにセメント混和材は数多く提案されているが、最も使用されているものとしては、コンクリートに膨張性を付与するセメント混和材がある。ここで、コンクリートとは、セメント、モルタル及びコンクリートを総称するものである。
【０００３】
コンクリート構造物に膨張性を付与するセメント混和材としては、例えば、カルシウムサルホアルミネート系と生石灰系に大別される。最近では、遊離石灰含有量の多いカルシウムサルホアルミネート系膨張材も提案されている。生石灰は水和活性が極めて高く、生石灰そのものをセメントに混和しても効果的な膨張性を付与することができない。すなわち、セメントがまだ固まらない時期に水和してしまうために、膨張力が有効に作用しないためである。そこで、従来の石灰系膨張材は、他の水硬性化合物と焼結させることによって遊離石灰の反応を適切な時期にコントロールするものである。石灰系膨張材の具体例としては、例えば、遊離石灰−カルシウムフェライト系、遊離石灰−無水セッコウ系、遊離石灰−ＣａＦ2系（特公昭48-9448号公報）、遊離石灰−カルシウムシリケート−間隙質系（特公昭53-13650号公報）、遊離石灰−カルシウムシリケート−無水セッコウ系（特公昭56-23936号公報）、遊離石灰−カルシウムシリケート−間隙質−無水セッコウ系（特公昭53-31170号公報）、遊離石灰−Ｃ3Ａ−無水セッコウ系（特公昭62-61548号公報）が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの膨張材は耐風化抵抗性に劣り、貯蔵期間中に風化して膨張性能の低下を生じやすいものであった。また、最近では膨張性を付与するセメント混和材に要求される性能は益々高まってきている。即ち、混和率が少なくても優れた膨張性能を付与できるセメント混和材の開発が待たれているのが実状である。そこで、本発明者らは、このような状況を鑑み種々検討した結果、前記課題を解消できるセメント混和材が得られることを知見し、本発明を完成するに至った。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、ＣａＯ原料、Ｆｅ2Ｏ3原料、ＳiＯ2原料及びＣａＳＯ4原料を熱処理して得られる物質であって、遊離石灰、カルシウムフェライト、カルシウムシリケート及び無水セッコウを含有してなるセメント混和材であり、遊離石灰含有量が３０％以上であることを特徴とする該セメント混和材であり、セメントと、該セメント混和材とを含有してなるセメント組成物である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【０００７】
本発明のセメント混和材は、ＣａＯ原料、Ｆｅ2Ｏ3原料、ＳｉＯ2原料及びＣａＳＯ4原料を混合して熱処理することによって製造され、遊離石灰、カルシウムフェライト、カルシウムシリケート及び無水セッコウを含有してなる。遊離石灰、カルシウムフェライト、カルシウムシリケート及び無水セッコウを別々に合成して混合したものでは、本発明の効果は得られない。それぞれの化合物の割合は、特に限定されるものではないが、遊離石灰含有量は、３０％以上が好ましく、４０％以上がより好ましい。遊離石灰含有量が３０％未満では、優れた膨張性能が得られない場合がある。また、カルシウムフェライトの含有量は、５〜２５％が好ましく、１０〜２０％がより好ましい。カルシウムシリケートの含有量は、５〜２５％が好ましく、１０〜２０％がより好ましい。無水セッコウ含有量は、４０％以下が好ましく、１０〜３０％がより好ましい。無水セッコウ含有量が４０％を超えると、製造時に発生するＳＯXが多くなるばかりでなく、優れた膨張性能が得られない場合がある。
なお、本発明における％、部は、質量単位を表す。
【０００８】
本発明の遊離石灰は、通常、ｆ−ＣａＯと表されるものである。
本発明のカルシウムフェライトとは、特に限定されるものではないが、その具体例としては、ＣａＯをＣ、Ｆｅ2Ｏ3をＦで表すと、Ｃ2Ｆ及びＣＦが挙げられる。
本発明のカルシウムシリケートとは、特に限定されるものではないが、その具体例としては、ＣａＯをＣ、ＳｉＯ2をＳで表すと、Ｃ3Ｓ、Ｃ2Ｓ及びＣＳが挙げられる。
【０００９】
本発明のセメント混和材を製造する際に使用される原料は、ＣａＯ原料としては、石灰石や消石灰等が挙げられ、Ｆｅ2Ｏ3原料としては、各種カラミや圧延スケール等の産業副産物や工業用の各種酸化鉄等が挙げられ、ＳｉＯ2原料としては、珪石、硅砂及び粘土等が挙げられ、ＣａＳＯ4原料としては、二水セッコウ、半水セッコウ及び無水セッコウ等が挙げられる。
【００１０】
熱処理方法としては、ロータリーキルンや電気炉等を使用することによって行うことができ、熱処理温度は１１００〜１６００℃であり、１３００〜１５００℃程度の範囲が好ましく、１３００〜１４００℃程度がより好ましい。１１００℃未満では、得られたセメント混和材の膨張性能が十分でない場合があり、１６００℃を超えると揮散するＳＯXが多くなり環境負荷が大きくなるため好ましくない。
【００１１】
本発明のセメント混和材中に存在する不純物は、その総量が本発明の目的を実質的に阻害しない範囲、例えば、１０％程度以下であることが好ましい。不純物の具体例としては、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、ＭｇＯ、Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5、フッ素化合物、塩素化合物等が挙げられる。
【００１２】
本発明のセメント混和材の粒度は、特に限定されるものではないが、通常、ブレーン比表面積で１５００〜６０００ｃｍ2／ｇが好ましく、２５００〜４０００ｃｍ2／ｇがより好ましい。１５００ｃｍ2／ｇ未満では、強度発現性が悪くなる場合があり、６０００ｃｍ2／ｇを超えると優れた膨張性能が得られない場合がある。
【００１３】
本発明のセメント混和材の配合量は、特に限定されるものではないが、通常、セメントとセメント混和材からなるセメント組成物１００部中、３〜１２部が好ましく、５〜９部がより好ましい。３部未満では本発明の効果が十分に得られない場合があり、１２部を超えて使用すると、強度発現性が悪くなる場合がある。
【００１４】
本発明に係るセメントとしては、普通、早強、超早強及び中庸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、フライアッシュ、及びシリカを混合した各種混合セメント、低熱セメント、石灰石粉末等を混合したフィラーセメント、並びにアルミナセメント等が挙げられ、これらのうちの１種又は２種以上が使用可能である。
【００１５】
本発明では、本発明のセメント混和材とセメントに、砂、砂利等の骨材の他に、減水剤、AE減水剤、高性能減水剤、高性能AE減水剤、消泡剤、増粘剤、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、高分子エマルジョン、凝結調整剤、セメント急硬材、ベントナイトやゼオライト等の粘土鉱物、ハイドロタルサイト等のイオン交換体等のうちの１種又は２種以上を、本発明の目的を実質的に阻害しない範囲で使用することが可能である。
【００１６】
本発明において、各材料の混合方法は、特に限定されるものではなく、それぞれの材料を施工時に混合しても良いし、予め一部を、或いは全部を混合しておいても差し支えない。混合装置としては、既存の如何なる装置も使用可能であり、例えば、傾胴ミキサ、オムニミキサ、ヘンシェルミキサ、Ｖ型ミキサ及びナウタミキサ等の使用が可能である。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１８】
実施例１
表１に示す各々の化学組成になるように、ＣａＯ原料、Ｆｅ2Ｏ3原料、ＳｉＯ2原料及びＣａＳＯ4原料を混合し、電気炉で１３５０℃、２時間熱処理することによって表１に示すような様々な化学組成の物質を作製し、ブレーン比表面積３０００〜３５００ｃｍ2／ｇに粉砕してセメント混和材とした。
また、各セメント混和材の構成化合物を粉末Ｘ線回折法（ＸＲＤ）により同定し、結果を表１に併記した。これらの結果をもとに、各セメント混和材の化合物組成を算出し、結果を表２に示した。次に、これらセメント混和材を用いて膨張試験を実施した。セメントとセメント混和材からなるセメント組成物１００部中、セメント混和材を７部使用し、水／セメント組成物比が５０％、セメント組成物／砂比が１／３のモルタルを調製して膨張率の測定を行った。また、セメント混和材の耐風化抵抗性を評価し、結果を表３に示した。
【００１９】
＜使用材料＞
セメント：市販普通ポルトランドセメント
水：水道水
砂：ＩＳＯ６７９準拠の標準砂、比重２．６２
ＣａＯ原料：試薬１級炭酸カルシウム
Ｆｅ2Ｏ3原料：試薬１級酸化第二鉄
ＳｉＯ2原料：試薬１級二酸化ケイ素
ＣａＳＯ4原料：試薬１級無水セッコウ
【００２０】
＜測定方法＞
膨張率：ＪＩＳ Ａ ６２０２ Ｂに準じて測定。
風化抵抗性：各膨張材３ｇをスチロールビン（３０cc容量）に入れ、２０℃、相対湿度７０％の環境試験室内に暴露放置し、３日後の強熱減量を測定した。強熱減量は１０００℃で３０分間熱処理した際の減量より求めた。
【００２１】
【表１】
【００２２】
【表２】
【００２３】
【表３】
【００２４】
表１、表２より、本発明のセメント混和材は、遊離石灰、カルシウムフェライト、カルシウムシリケート及び無水セッコウを含有していることが示される。
表３より、本発明のセメント混和材は、従来の遊離石灰−無水セッコウ系（実験No.1-9）、遊離石灰−カルシウムフェライト系（実験No.1-10）及び遊離石灰−カルシウムシリケート系（実験No.1-11）と比べ、膨張率が大きく優れた膨張性能を有し、且つ、強熱減量が少なく耐風化抵抗性が良好であることが判る。また、遊離石灰、カルシウムフェライト、カルシウムシリケート及び無水セッコウを別々に合成し混合したもの（実験No.1-12）では、本発明の効果が得られないことが判る。
【００２５】
実施例２
実施例１のセメント混和材Ｅを使用し、セメント組成物１００部中の膨張材の配合量を表４に示すように変え、圧縮強度を測定したこと以外は、実施例１と同様に行った。結果を表４に併記する。
【００２６】
＜測定方法＞
圧縮強度：ＪＩＳ Ｒ ５２０１に準じて測定。
【００２７】
【表４】
【００２８】
表４より、本発明のセメント混和材を添加すると膨張率が大きく、配合量が増加するにつれて膨張率が増加することが判る。
【００２９】
【発明の効果】
本発明に依れば、混和率が少なくても優れた膨張性能を付与し、貯蔵期間中に風化し難い耐風化抵抗性が良好なセメント混和材、及びセメント組成物が得られる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、土木・建築業界において使用されるセメント混和材及びセメント組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セメントは安価でしかも、大きなコンクリート構造物を任意の形に造れる優れた材料である。更に、セメント混和材を併用することによって、構造物の強度や耐久性を向上させることが可能である。此までにセメント混和材は数多く提案されているが、最も使用されているものとしては、コンクリートに膨張性を付与するセメント混和材がある。ここで、コンクリートとは、セメント、モルタル及びコンクリートを総称するものである。
【０００３】
コンクリート構造物に膨張性を付与するセメント混和材としては、例えば、カルシウムサルホアルミネート系と生石灰系に大別される。最近では、遊離石灰含有量の多いカルシウムサルホアルミネート系膨張材も提案されている。生石灰は水和活性が極めて高く、生石灰そのものをセメントに混和しても効果的な膨張性を付与することができない。すなわち、セメントがまだ固まらない時期に水和してしまうために、膨張力が有効に作用しないためである。そこで、従来の石灰系膨張材は、他の水硬性化合物と焼結させることによって遊離石灰の反応を適切な時期にコントロールするものである。石灰系膨張材の具体例としては、例えば、遊離石灰−カルシウムフェライト系、遊離石灰−無水セッコウ系、遊離石灰−ＣａＦ2系（特公昭48-9448号公報）、遊離石灰−カルシウムシリケート−間隙質系（特公昭53-13650号公報）、遊離石灰−カルシウムシリケート−無水セッコウ系（特公昭56-23936号公報）、遊離石灰−カルシウムシリケート−間隙質−無水セッコウ系（特公昭53-31170号公報）、遊離石灰−Ｃ3Ａ−無水セッコウ系（特公昭62-61548号公報）が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの膨張材は耐風化抵抗性に劣り、貯蔵期間中に風化して膨張性能の低下を生じやすいものであった。また、最近では膨張性を付与するセメント混和材に要求される性能は益々高まってきている。即ち、混和率が少なくても優れた膨張性能を付与できるセメント混和材の開発が待たれているのが実状である。そこで、本発明者らは、このような状況を鑑み種々検討した結果、前記課題を解消できるセメント混和材が得られることを知見し、本発明を完成するに至った。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、ＣａＯ原料、Ｆｅ2Ｏ3原料、ＳiＯ2原料及びＣａＳＯ4原料を熱処理して得られる物質であって、遊離石灰、カルシウムフェライト、カルシウムシリケート及び無水セッコウを含有してなるセメント混和材であり、遊離石灰含有量が３０％以上であることを特徴とする該セメント混和材であり、セメントと、該セメント混和材とを含有してなるセメント組成物である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【０００７】
本発明のセメント混和材は、ＣａＯ原料、Ｆｅ2Ｏ3原料、ＳｉＯ2原料及びＣａＳＯ4原料を混合して熱処理することによって製造され、遊離石灰、カルシウムフェライト、カルシウムシリケート及び無水セッコウを含有してなる。遊離石灰、カルシウムフェライト、カルシウムシリケート及び無水セッコウを別々に合成して混合したものでは、本発明の効果は得られない。それぞれの化合物の割合は、特に限定されるものではないが、遊離石灰含有量は、３０％以上が好ましく、４０％以上がより好ましい。遊離石灰含有量が３０％未満では、優れた膨張性能が得られない場合がある。また、カルシウムフェライトの含有量は、５〜２５％が好ましく、１０〜２０％がより好ましい。カルシウムシリケートの含有量は、５〜２５％が好ましく、１０〜２０％がより好ましい。無水セッコウ含有量は、４０％以下が好ましく、１０〜３０％がより好ましい。無水セッコウ含有量が４０％を超えると、製造時に発生するＳＯXが多くなるばかりでなく、優れた膨張性能が得られない場合がある。
なお、本発明における％、部は、質量単位を表す。
【０００８】
本発明の遊離石灰は、通常、ｆ−ＣａＯと表されるものである。
本発明のカルシウムフェライトとは、特に限定されるものではないが、その具体例としては、ＣａＯをＣ、Ｆｅ2Ｏ3をＦで表すと、Ｃ2Ｆ及びＣＦが挙げられる。
本発明のカルシウムシリケートとは、特に限定されるものではないが、その具体例としては、ＣａＯをＣ、ＳｉＯ2をＳで表すと、Ｃ3Ｓ、Ｃ2Ｓ及びＣＳが挙げられる。
【０００９】
本発明のセメント混和材を製造する際に使用される原料は、ＣａＯ原料としては、石灰石や消石灰等が挙げられ、Ｆｅ2Ｏ3原料としては、各種カラミや圧延スケール等の産業副産物や工業用の各種酸化鉄等が挙げられ、ＳｉＯ2原料としては、珪石、硅砂及び粘土等が挙げられ、ＣａＳＯ4原料としては、二水セッコウ、半水セッコウ及び無水セッコウ等が挙げられる。
【００１０】
熱処理方法としては、ロータリーキルンや電気炉等を使用することによって行うことができ、熱処理温度は１１００〜１６００℃であり、１３００〜１５００℃程度の範囲が好ましく、１３００〜１４００℃程度がより好ましい。１１００℃未満では、得られたセメント混和材の膨張性能が十分でない場合があり、１６００℃を超えると揮散するＳＯXが多くなり環境負荷が大きくなるため好ましくない。
【００１１】
本発明のセメント混和材中に存在する不純物は、その総量が本発明の目的を実質的に阻害しない範囲、例えば、１０％程度以下であることが好ましい。不純物の具体例としては、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、ＭｇＯ、Ｂ2Ｏ3、Ｐ2Ｏ5、フッ素化合物、塩素化合物等が挙げられる。
【００１２】
本発明のセメント混和材の粒度は、特に限定されるものではないが、通常、ブレーン比表面積で１５００〜６０００ｃｍ2／ｇが好ましく、２５００〜４０００ｃｍ2／ｇがより好ましい。１５００ｃｍ2／ｇ未満では、強度発現性が悪くなる場合があり、６０００ｃｍ2／ｇを超えると優れた膨張性能が得られない場合がある。
【００１３】
本発明のセメント混和材の配合量は、特に限定されるものではないが、通常、セメントとセメント混和材からなるセメント組成物１００部中、３〜１２部が好ましく、５〜９部がより好ましい。３部未満では本発明の効果が十分に得られない場合があり、１２部を超えて使用すると、強度発現性が悪くなる場合がある。
【００１４】
本発明に係るセメントとしては、普通、早強、超早強及び中庸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、フライアッシュ、及びシリカを混合した各種混合セメント、低熱セメント、石灰石粉末等を混合したフィラーセメント、並びにアルミナセメント等が挙げられ、これらのうちの１種又は２種以上が使用可能である。
【００１５】
本発明では、本発明のセメント混和材とセメントに、砂、砂利等の骨材の他に、減水剤、AE減水剤、高性能減水剤、高性能AE減水剤、消泡剤、増粘剤、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、高分子エマルジョン、凝結調整剤、セメント急硬材、ベントナイトやゼオライト等の粘土鉱物、ハイドロタルサイト等のイオン交換体等のうちの１種又は２種以上を、本発明の目的を実質的に阻害しない範囲で使用することが可能である。
【００１６】
本発明において、各材料の混合方法は、特に限定されるものではなく、それぞれの材料を施工時に混合しても良いし、予め一部を、或いは全部を混合しておいても差し支えない。混合装置としては、既存の如何なる装置も使用可能であり、例えば、傾胴ミキサ、オムニミキサ、ヘンシェルミキサ、Ｖ型ミキサ及びナウタミキサ等の使用が可能である。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１８】
実施例１
表１に示す各々の化学組成になるように、ＣａＯ原料、Ｆｅ2Ｏ3原料、ＳｉＯ2原料及びＣａＳＯ4原料を混合し、電気炉で１３５０℃、２時間熱処理することによって表１に示すような様々な化学組成の物質を作製し、ブレーン比表面積３０００〜３５００ｃｍ2／ｇに粉砕してセメント混和材とした。
また、各セメント混和材の構成化合物を粉末Ｘ線回折法（ＸＲＤ）により同定し、結果を表１に併記した。これらの結果をもとに、各セメント混和材の化合物組成を算出し、結果を表２に示した。次に、これらセメント混和材を用いて膨張試験を実施した。セメントとセメント混和材からなるセメント組成物１００部中、セメント混和材を７部使用し、水／セメント組成物比が５０％、セメント組成物／砂比が１／３のモルタルを調製して膨張率の測定を行った。また、セメント混和材の耐風化抵抗性を評価し、結果を表３に示した。
【００１９】
＜使用材料＞
セメント：市販普通ポルトランドセメント
水：水道水
砂：ＩＳＯ６７９準拠の標準砂、比重２．６２
ＣａＯ原料：試薬１級炭酸カルシウム
Ｆｅ2Ｏ3原料：試薬１級酸化第二鉄
ＳｉＯ2原料：試薬１級二酸化ケイ素
ＣａＳＯ4原料：試薬１級無水セッコウ
【００２０】
＜測定方法＞
膨張率：ＪＩＳ Ａ ６２０２ Ｂに準じて測定。
風化抵抗性：各膨張材３ｇをスチロールビン（３０cc容量）に入れ、２０℃、相対湿度７０％の環境試験室内に暴露放置し、３日後の強熱減量を測定した。強熱減量は１０００℃で３０分間熱処理した際の減量より求めた。
【００２１】
【表１】
【表２】
【表３】
表１、表２より、本発明のセメント混和材は、遊離石灰、カルシウムフェライト、カルシウムシリケート及び無水セッコウを含有していることが示される。
表３より、本発明のセメント混和材は、従来の遊離石灰−無水セッコウ系（実験No.1-9）、遊離石灰−カルシウムフェライト系（実験No.1-10）及び遊離石灰−カルシウムシリケート系（実験No.1-11）と比べ、膨張率が大きく優れた膨張性能を有し、且つ、強熱減量が少なく耐風化抵抗性が良好であることが判る。また、遊離石灰、カルシウムフェライト、カルシウムシリケート及び無水セッコウを別々に合成し混合したもの（実験No.1-12）では、本発明の効果が得られないことが判る。
【００２５】
実施例２
実施例１のセメント混和材Ｅを使用し、セメント組成物１００部中の膨張材の配合量を表４に示すように変え、圧縮強度を測定したこと以外は、実施例１と同様に行った。結果を表４に併記する。
【００２６】
＜測定方法＞
圧縮強度：ＪＩＳ Ｒ ５２０１に準じて測定。
【００２７】
【表４】
表４より、本発明のセメント混和材を添加すると膨張率が大きく、配合量が増加するにつれて膨張率が増加することが判る。
【００２９】
【発明の効果】
本発明に依れば、混和率が少なくても優れた膨張性能を付与し、貯蔵期間中に風化し難い耐風化抵抗性が良好なセメント混和材、及びセメント組成物が得られる。
Claims (3)
- ＣａＯ原料、Ｆｅ2Ｏ3原料、ＳiＯ2原料及びＣａＳＯ4原料を熱処理して得られる物質であって、遊離石灰、カルシウムフェライト、カルシウムシリケート及び無水セッコウを含有してなるセメント混和材。
- 遊離石灰含有量が３０％以上であることを特徴とする請求項１のセメント混和材。
- セメントと、請求項１又は２のセメント混和材とを含有してなるセメント組成物。
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