JPS63502501A - 建築材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 建築材料の製造方法 水の添加だけで数時間のうちに硬化して岩石状材料（コンクリート）を形成し、 約１ケ月以内にその究極的強度をもたらすポルトランドセメントは一般に最良の 水硬性バインダーであると考えられている。その効果は主として塩基性石灰と珪 酸との間の化学反応に基因する。ポルトランドセメントの分析は、　ＣａＯ約６ ４％、５ｉ０２２０％、ＭｇＯ２，５％、Ａｌ２Ｏ３６％、Ｆｅ２Ｏ３＋　Ｆｅ Ｏ３，５％、に２０＋　Ｎａ２Ｏ２％、５０３１．５％を示す。このセメントの 欠点は、石灰のすべてがコンクリート中に結合されず、硬化処理の末期に向けて 形成される不安定な石灰水和物が常に過剰量出現し、水及び有害な炭化作用の危 険を存する空気中炭酸ガスの作用により比較的容易に滲出して来ることである。

更に酸及び塩基に対する化学的耐性が極めて限定されている。

例として、道路コンクリート表面の道路塩による、またコンクリート橋架の海水 による崩 壊、鉄筋、鉄骨補強材の錆による浸蝕 のおそれ及びガラス繊維補強の困難性。

ポルトランドセメントの時によって致命的な弱点を回避するため、同じような組 成の材料ではあるが、物理的及び化学的の両抵抗力を改善する組成分の増強が長 い間探求されて来ている。顆粒化された塩基性溶鉱炉スラグはこの高い抵抗力を 存する物質を多く含「するのでその実験が行われて来たのは当然のことである。

その分析結果は、出所により相違するが、大量Ｃａ０３０乃至４０％、Ｓ＋０２ ３５乃至４０％、Ｍｇ０７乃至１０％、Ａｌ２Ｏ３ｔ　Ｏ乃至２０％、Ｆｅ２Ｏ ３＋Ｆｅ０Ｏ，０５乃至２％、Ｋ２０＋ＮＩＬ２０１乃至２　％　、ＳＯ３０， ５乃至３％で、！、６゜ポルトランドセメントに比し、石灰分は僅かに半分であ るが、Ｓ　ｉ　Ｏ２０３は約２倍、ＭｇＯ分はほぼ４倍程度多い。しかるにこれ 等の物質は珪酸塩に対して最高の機械的及び化学的抵抗力を附与し、圧縮強さ及 び引張強さならびに化学作用耐性を増大する。

溶鉱炉スラグは鉄鋼の製造において無用の廃物として大量に得られ、世界的に何 百億トンという量で存在する。「顆粒化Ｊ（ｇｒλｎｕｌａｔｅｄ）という語は 一般的には「細分化」を意味するが、スラグに関して云えば未だ灼熱状態にある スラグを冷水に、或は冷水と冷空気とに急激に被曝させてガラス状、無定形状に することを意味する。有利な化学的組成にもかかわらず顆粒化スラグは「潜在的 に」水硬化であるに過ぎず、換言すれば混合後直ちには水と結合しない。理由は 珪酸分の多い濃厚なゲルが形成され、このゲルはスラグ粉を被覆し、その水和を 妨げることに在る。活性化をもたらす条件はこのゲルが破壊されることである。

従って活性剤は二重の使命ををし、まずゲルを破壊し、次いでスラグ自体に作用 しなければならない。しかしながら、このゲル形成はまた積極的効果も有する。

何となればゲル孔隙は向弁に分散されており、ポルトランドセメントのコンクリ ートにおける毛細管孔隙よりも良好な凍結に対する抵抗力を有するからである。

すでに１９世紀末期に向けて溶鉱炉スラグを活性化する試みがなされた。最も古 い特許は１８８２年（バッンウ）　（Ｐａｓｓｏｗ）に遡るが、ここではスラグ とポルトランドセメントとの混和が推奨されており、これにより水和作用の最終 段階で形成されるＣａ（ＯＨ）２の形の遊離石灰が活性剤として作用を果す。こ のためにスラグに対する作用は遅れて生起し、強度の増大を遅くする。

また冷却による収縮のおそれはむしろ太き（なる。これが現在いわゆるスラグセ メントをほとんど使用していない理由である。

石灰のほかに古くから公知（Ｈ，キュール（Ｋｕｈｌ）の「ツエメント、ヘミ− Ｊ　１９５１年ベルリン刊参照）の活性剤はアルカリ類及び硫酸塩類である。従 来アルカリ類による活性化は最高の強度をもた伊すものと考えられていたが、こ れは多くの欠点をもたらした。長期間強度が不満足であり、収縮、塩沈積、炭酸 塩化のおそれが大きい。硬化は著しく過早に、２０乃至３０分で生起し、建築現 場での打込みは不可能である。いわゆるプレハブコンクリート部品の製造は用途 において制約がある。アルカリ類による活性化には強Ｊｌｉｆ蝕性のＮａ０ｔ（ が形成される欠点もある。石灰及び硫酸塩類による活性化は短期強度が劣悪であ ることと膨潤のおそれがあることにおいて不利益がある。これらすべての活性化 法には、硬化速度の調整が困難であって、これが迅速に過ぎ或は遅滞し過ぎると いう問題点もある。

従来技術による活性化粉末について、スラグ粉末との混合物が、長期にわたる貯 蔵の間に、また輸送の間においても、しばしば結合作用をもたらすことが見出さ れた。新規な活性剤においてはこの欠点を回避することが重要である。

はるかに信頼し得る活性化技術が酸性組成分と塩基性組成分との協力作用により 得られる。この酸性物質は燐酸塩から成ることが好ましく、場合により強力に作 用する硫酸塩と併用してもよい。塩基性組成分は土類金属の、場合により亜鉛の 酸化物、その他の化合物から成り、水の添加により水硬反応をもたらす。土類金 属は、マグネシウムのほかに、ストロンチウム、バリウム、アルミニウム、ベリ リウム、ガリウム、インジウム、タリウム、チタニウム、ジルコニウムであって 、希土類金属とも呼ばれるものである。最も効果的であるのはマグネシウムであ って、珪酸塩に対し最善の改良効果をもたらし、圧縮強さ及び引張強さを増強し 、収縮を低減し、非吸湿性の生成物をもたらす。一般にＭｇＯは高温で溶融させ るだけで珪酸塩に合体させ得る。微粉砕された塩基性溶鉱炉スラグにより、燐酸 塩と共に或は場合によりこれに硫酸塩を合併したものと共に水和反応が生起せし められる。最も良好な作用はか焼乃至焼成マグネシア（約１７５０°Ｃで焼成し てすべての水分及び二酸化炭素を駆出させたもの）により達成される。例えばド ロマイトのような充填剤として作用するＭｇＯは余り適当ではない。土類金属化 合物は乾燥コンクリートすなわち（スラグ＋砂子骨材）に対し０．３乃至３重量 ％、スラグに対し２乃至２０重量％の量で使用するのが適当である。

酸性組成分は乾燥コンクリートに対して０．３乃至６重量％、スラグに対して２ 乃至４０重量％の量で使用するのが適当である。

更にこの反応は洗剤或は硝酸塩をも加えると一層活発となり、これは表面張力を 低減し、塊体形成を分散阻止することが見出された。同様の効果は洗浄作用を有 する燐酸塩、例えば三燐酸ナトリウムを使用することにより達成される。ＭｇＯ 及び燐酸塩自体はスラグ及び水と反応せず、単に結合するのみである。

場合によりＭｇＯと他の土類金属化合物との協働作用のを利なことがある。Ａｌ ２Ｏ３はＭｇＯと同様な積極的効果を育し、スラグと反応性及びその塩化物に対 する耐性を改善する。酸化チタニウムは例えば汚染空気中の酸性作用（硫黄分） に対する耐性を附与し、シリカゲルと耐性結晶を形成する。ＺｒＯ２はアルカリ 浸蝕に対する信頼し得る保証をもたらす。

強力に作用する硫酸塩の例として硫酸水素ナトリウムＮａ１（Ｓ０４が挙げられ るが、これはその強酸性反応の故に硫酸の代りに工業上しばしば使用される。

これまでに公知の活性剤は大部分のものが過早に迅速に結合しくポルトランドセ メントの場合は余りに遅滞して）、適当な制御が不可能であった。しかるに新規 方法によれば、表面作用低減剤或は混練剤（可塑剤）、例えばりグツスルホラー ド、メラミン、ナフタリンホルムアルデヒド、ナトリウムグルコナートなどを添 加することによっても、或は焼石膏もしくは硬石膏（約３％）によっても相違す る反応時間を有する複数種類の燐酸塩を混和することによっても、この制御が可 能である。このため、プレハブコンクリート製品を３０分以内に硬化させる結合 剤を得ること（これにより１日当りの腿造成形回数を増やすことが可能である） も、また建築現場における打込みのために必要な、結合時間を約２．５時間にま で延ばすことも可能になる。

無定形珪酸、例えば電気冶金法から（例えばフェロシリコン或はシリコンクロム 製造）から得られるスクリーン選別残渣であって、Ｓ＋０２分を７５％乃至はぼ １００％含有し、少くとも２０ｔ１７ｇの比表面積を存し、シリカフニーム或は シリカと称されるものを添加することにより、圧縮強さ及び密度は更に改善され 得る。これは可塑剤と合併して使用するのが好ましい。

無定形珪酸は乾燥コンクリートに対して０．６乃至２重量％、スラグに対して２ ４乃至１５重量％の量で使用するのが適当である。

この新規の建築材料はポルトランドセメントから形成されるコンクリートよりも 密であり、色が薄く、また重量も軽い。この新規のコンクリートは、発泡剤或は パーライト、ヒル石のような軽量バラストの添加により、プラスター、発泡コン クリート或は軽量コンクリートとしても使用することができる。勿論コンクリー ト骨材、スチール材、ガラス繊維、鉱物繊維、プラスチック繊維、フライアッシ ュを混和することもできる。ビチューメン（アスファルト）の混和も可能である 。

水元・明による改良スラグコンクリートのポルトランドセメントからの普通のコ ンクリートに対する利点は、以下に掲記する表から認められるように、ことに高 い圧縮強さ及び引張強さである。このことは長期強度についても短期強度につい ても云えることであってこのため建築現場における型枠の除去が壁面成形につい て約１０時間後、屋根乃至天井面成形について約１６時間後に可能となり、著し い時間の節約になるだけでなく、従来のコンクリートが約２８日後にその最大強 度に到達するのに対して、数日間で強度増大が終る。

塩に対する耐性は、ゴーテンプルク所在のハルメルス（Ｃｈａｌｍｅｒｓ）技術 研究所において、３０％塩化カルシウム溶液を使用して４ケ月間にわたり試験さ れた。

普通のコンクリートではこのような高濃度塩化カルシウム溶液により数週間後に 劣化乃至亀裂が認められるのに対し、上記試験では全く認められなかった。

錆による浸蝕に対する保護は普通のコンクリートでは水和の最終段階で形成され 、スチール材表面に沈積するＣａ（Ｏ）ｌ）２の形の遊離石灰により、その高ｐ Ｈ値のため水分、空気中の酸素或は二酸化炭素が浸透してスチールを酸化するこ とを阻止する。しかしながら、この水酸化カルシウムは不安定な物質であって、 水に溶解し、Ｃ０２により化学変化（炭酸塩化）する。この新規のコンクリート においては、石灰よりも高いｐＨ値を有するＭｇＯが錆保護を果す。焼成ＭｇＯ は水、酸素、二酸化炭素に対して耐性を示し、石灰よりも信頼性がある。

更にこの新規のコンクリートは、密であり（孔隙が少ない）、水、酸素或は二酸 化炭素の滲透に対し高い抵抗力を示し、またスチール補強材に対し改善された接 着性をもたらす。新規コンクリートにおける高ｐＨ値の安定性も、ｐ＋（指示薬 であるフェノールフタリンの浴を使用してシャルメルス技術研究所で試験された 。その変化しない赤色から高ｐＨ値の維持が認められなかったが、ポルトランド セメントによるコンクリートはそうではなかった。

ＭｇＯと燐酸塩の組合せは、主として耐火セラミックスの製造から公知であるが 、活性化溶鉱炉スラグにも耐火性の改善をもたらすものと考えられる。通常のコ ンクリートは約５００℃以上の温度には耐えられない。

ポルトランドセメントが高温に対して敏感である理由は、主として化学的結合水 の存在にある。物理的結合水（毛細管水）は何等有害な作用をもたらすことなく 、約１０５℃で除去される。化学的結合水はお（れて釈放されるが、これにより 亀裂をもたらし、これは崩壊を生起する。不安定な遊離石灰Ｃａ（ＯＨ）２はＣ ａＯ及びＨ２Ｏに変化する。同時に遊離した水は、水和中に生成する珪酸三石灰 及び二石灰とも反応し、これは不安定な珪酸カルシウム水和物となる。更にコン クリート中に存在する石英アルファ相（Ｓ＋０２＞は異なる結晶形態に変化し、 容積増大を伴うので、これも亀裂生起の原因となる（　Ｒ，に、アイラー（ｌ１ ｅｒ）のケミストリー、オブ、シリケーラ参照）。しかるに溶鉱炉スラグ、燐酸 塩及びＭｇＯの組合せにおいては遊離石灰は存在せず、顆粒化スラグの５ｉ０２ は無定形であり、上記の危険は生じない。１０００°Ｃ以上・の温度が生じ得る 用途においては著しい高温で膨張する可能性のある骨材の石質材料を耐火性セラ ミック材料に代えるのが好ましい。ただし、このようなことは例外的に必要とさ れるに過ぎない。

新規のコンクリートは、また道路舗装のビチューメン（アスファルト）とも組合 せることができる。

活性剤の新規な組合せの圧縮強さ及び引張強さに関する作用の実例として、スラ グ１００単位、トリポリ燐酸ナトリウム１０単位、ＭｇＯ７，５単位、砂３５３ 単位及び水４０単位の混合物について得られた試験結果を以下に示す。

材令　圧縮強さく　Ｍ　Ｐ　ａ　）　引張強さくＭＰａ）１日　Ｂ、２　１．２ ３日　２６．０　３．７ ７日　４０．９　０．３ ２８日　８１．３　１０．４ 上記の数値はポルトランドセメントの相当する数値（２８日後それぞれ４９．０ 及び７．９　ＭＰａ）に比し有利である。前述した添加により表に掲記の数値は 更に改善される。

ポルトランドセメントのコンクリートに比し、新規なコンクリートは以下のよう な利点を仔する。

１、　高い機械的耐性、すなわち高い圧縮強さ及び引張強さ ２　高い化学的耐性 ａ　コンクリートの劣化をもたらすべき炭酸塩化、すなわち非結合石灰の沈積な し ４、　塩浸蝕なし。道路舗装の道路塩による損傷なし。コンクリート橋梁の長耐 用期間。コンクリート船の耐性化の可能性。

５、ｐＨ値１２にも拘らずアルカリ性ではない。非結合石灰なし。従ってガラス 線維補強可能（必要に応じ二酸化ジルコニウムの特殊なタイプの製造可能）。

ａ　ポルトランドセメントのコンクリートより軽量、従って構造物の薄層化可能 。

７、　薄層化可能性から、スラグがポルトランドコンクリートより安価であるこ とを別にして建造コストが廉価。

＆　密度が高い。

ａ　従ってスチール補強材に対する接着性が良好、スチール補強材の錆による浸 蝕耐性大。

１０、耐火外大。

１１、凍結耐性大。

１２、寒期の打込み容易。

１３、特性上シーリング剤に使用可能。

１４、プラスタ用としてセメントモルタルより有利。

１５、打込み済みコンクリートの硬化のための必要水分少量。

１Ｂ、従来のコンクリートと同じく、多孔質として軽量コンクリートの形成可能 。気胞構造が機械的に強力であり、材料が非吸湿性であるので、従来の発泡コン クリート、軽量コンクリートに比し有利。

１７、色が明るい。

国際調査報告 ＰＣＴ／Ｓε８６１００４７３

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．燐酸塩及び必要に応じ強力に作用する硫酸塩との組合せから成る酸性組成分 と、土類金属の及び必要に応じ亜鉛の酸化物、その他の化合物から成る塩基性組 成分との組合せと共に、水、砂及びバラストのほかにスラグを混和し、加熱する ことなく高機械強度及び高化学的耐性を有するコンクリートを形成することを特 徴とする、潜在的水硬性の顆粒化塩基性溶鉱炉スラグの微細粉を活性化して直接 的に作用する水硬性結合剤を形成することにより建築材料を形成する方法。
2. ２．表面張力低減剤を添加することを特徴とする、特許請求の範囲１による方法 。
3. ３．上記土類金属化合物が乾燥コンクリートに対して０．３乃至３重量％、スラ グに対して２乃至２０重量％の量で使用される、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２ 、ＺｒＯ２、ＢａＯ及び／或はＺｎＯから構成されることを特徴とする、特許請 求の範囲１或は２による方法。
4. ４．上記酸性組成分がトリポリ燐酸ナトリウム、場合により他の燐酸塩或は強力 に作用するＮａＨＳＯ４のような硫酸塩との混合物から成り、乾燥コンクリート に対して０．３乃至６重量％、スラグに対して２乃至４０重量％の量で使用され ることを特徴とする、特許請求の範囲１乃至３の何れかによる方法。
5. ５．焼石膏或は硬石膏のような結合時間調整剤及び／或は可塑剤を添加すること を特徴とする、特許請求の範囲１乃至４の何れかによる方法。
6. ６．シリコン、フェロシリコソ或は珪化クロム製造のような電気冶金から生ずる スクリーン処理済みの無定形残渣としての無定形珪酸であって、ＳｉＯ２を７５ ％乃至１００％近く含有し、少くとも２０ｍ２／ｇの比表面積を有し、シリカフ ューム或はシリカと称されるものを、乾燥コンクリートに対して０．６乃至２重 量％、スラグに対して４乃至１５重量％添加することを特徴とする、特許請求の 範囲１乃至５の何れかによる方法。
7. ７．コンクリートバラスト、或はスチール繊維、ガ　ラス繊維、鉱物繊維或はプ ラスチック繊維補強材或は孔隙形成剤或は軽量バラストを添加することを特徴と する、特許請求の範囲１乃至６の何れかによる方法。