(57)【要約】【課題】プレキャスト製品製造に必要な流動時間を確保しやすく、かつ、養生温度が低くてもプレキャスト製品の離型に必要な強度が発現しやすいジオポリマ組成物を提供する。【解決手段】フィラとモノマとを混合して生成されるアルミノケイ酸塩酸化物を含有する。フィラは、フライアッシュおよびスラグ粉末を含有する。フィラにおけるフライアッシュとスラグ粉末との割合は、ジオポリマ組成物の流動可能時間と離型の際の強度とに基づいて調整する。このようにフライアッシュとスラグ粉末との割合を調整することにより、加熱養生温度が比較的に低くてもジオポリマ組成物の強度が発現しやすいため、ワックス系離型剤またはフィルム形成離型剤の皮膜が劣化しにくい温度で加熱養生できる。特に、フライアッシュとスラグ粉末との割合を質量比にてフライアッシュ：スラグ粉末が１９：１〜６：４の範囲となるように調整することが好ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィラとモノマとを反応させて生成されるアルミノケイ酸塩酸化物を含有し、プレキャスト製品の製造に用いられるジオポリマ組成物であって、
前記フィラは、フライアッシュおよびスラグ粉末を含有し、
前記フィラにおけるフライアッシュとスラグ粉末との割合は、ジオポリマ組成物の流動可能時間と離型の際の強度とに基づいて調整された
ことを特徴とするジオポリマ組成物。
【請求項２】
フィラにおけるフライアッシュとスラグ粉末との割合は、質量比でフライアッシュ：スラグ粉末が１９：１〜６：４である
ことを特徴とする請求項１記載のジオポリマ組成物。
【請求項３】
フィラとモノマとを反応させて生成されたアルミノケイ酸塩酸化物を含有し、プレキャスト製品の製造に用いられるジオポリマ組成物の製造方法であって、
ジオポリマ組成物の流動可能時間と離型の際の強度とに基づいてフライアッシュとスラグとの割合を調整してフィラを生成し、
フィラとモノマとを反応させて未固化のジオポリマ組成物を生成し、
この未固化のジオポリマ組成物をワックス系離型剤またはフィルム形成離型剤が塗布された型枠にて成形し、
養生後に離型する
ことを特徴とするジオポリマ組成物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジオポリマ組成物およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、二酸化炭素の排出量の増加による地球温暖化が問題視されている。この二酸化炭素の排出量は、工場での生産過程などのように産業部門からの割合が多く、セメント生産においても多くの二酸化炭素が排出される。
【０００３】
セメントには色々な種類があるが、主に工業生産セメントは、ポルトランドセメントであり、このポルトランドセメントの製造工程でも多くの二酸化炭素が排出される。
【０００４】
そこで、このようなセメントに代わるものとして、ジオポリマ組成物が注目されている。
【０００５】
ジオポリマ組成物は、フィラとモノマとを用い、フィラから溶出したアルミニウムなどの金属が、例えば水ガラス、メタケイ酸ナトリウム、水酸化カリウムおよび水などにて構成されるモノマと反応して、ケイ酸錯体を架橋しポリマ化することにより形成される。
【０００６】
この種のジオポリマ組成物としては、フィラとして下水汚泥溶融スラグ粉末を用い、この下水汚泥溶融スラグ粉末と、モノマとしてのケイ酸ナトリウム水溶液とを混合して形成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
また、フライアッシュ、高炉スラグおよび下水焼却汚泥などのフィラと、アルカリ活性剤と、骨材とを原料としたジオポリマ組成物が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
さらに、これら特許文献１および特許文献２には、ジオポリマ組成物のフィラとしてフライアッシュや高炉スラグを混合して使用する構成が記載されているが、ジオポリマ組成物は、フライアッシュと高炉スラグとの割合により、流動性を失うまでの時間が大きく変化することが知られている（例えば、非特許文献１参照。）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−１４３７７４号公報
【特許文献２】特開２００８−２３９４４６号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】ジオポリマーの諸特性に関する一考察、コンクリート工学年次論文集、２０１２年、ｖｏｌ．３４、Ｎｏ．１、Ｐ．１８９４−１８９９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
一般的に、ジオポリマ組成物でプレキャスト製品を安価に製造する場合は、鋼製型枠を用いて成形し加熱養生した後に離型するが、上述の特許文献１および特許文献２ではジオポリマ組成物の離型性および製造性について検討されていない。
【００１２】
すなわち、ジオポリマ組成物は、接着力が強く鋼製型枠との離型性が悪いため、鋼製型枠に塗布される離型剤として、セメントコンクリートによるプレキャスト製品の製造に使用される油脂系離型剤を使用できない。
【００１３】
そこで、同様に離型性の観点から油脂系離型剤を使用できないレジン（プラスチック）コンクリートにて使用されるワックス系離型剤またはフィルム形成離型剤の使用が想定される。
【００１４】
ここで、ジオポリマ組成物は、常温では硬化に時間がかかり強度が発現しにくいため、通常、プレキャスト製品の製造には、強度発現の促進を目的として加熱養生を行う。
【００１５】
しかしながら、ワックス系離型剤またはフィルム形成離型剤は耐熱性が低いため、通常の加熱養生温度である６０℃を超える温度で加熱養生すると、鋼製型枠表面に形成された離型剤の皮膜が劣化し、ジオポリマ組成物の離型性が低下してしまうおそれがある。
【００１６】
また、ジオポリマ組成物の強度は、養生温度と相関性があるため、ワックス系離型剤やフィルム形成離型剤の皮膜が劣化しにくい例えば２０〜４０℃のような比較的に低い温度で養生すると、ジオポリマ組成物の強度が発現しにくい。
【００１７】
さらに、特許文献１および特許文献２などのように、ジオポリマ組成物のフィラとしてフライアッシュや高炉スラグなどを混合して使用する場合には、非特許文献１に記載されたように、フライアッシュと高炉スラグとの割合により、ジオポリマ組成物が流動性を失うまでの時間が大きく変化する。そのため、鋼製型枠内にジオポリマ組成物を確実に充填してプレキャスト製品を製造するには、製造工程においてそのプレキャスト製品の製造に必要な流動時間を確保できるようにフライアッシュと高炉スラグとの配合を設定する必要がある。
【００１８】
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、プレキャスト製品の製造に必要な流動時間を確保しやすく、かつ、養生温度が低くてもプレキャスト製品の離型に必要な強度が発現しやすいジオポリマ組成物およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
請求項１に記載されたジオポリマ組成物は、フィラとモノマとを反応させて生成されるアルミノケイ酸塩酸化物を含有し、プレキャスト製品の製造に用いられるジオポリマ組成物であって、前記フィラは、フライアッシュおよびスラグ粉末を含有し、前記フィラにおけるフライアッシュとスラグ粉末との割合は、ジオポリマ組成物の流動可能時間と離型の際の強度とに基づいて調整されたものである。
【００２０】
請求項２に記載されたジオポリマ組成物は、請求項１記載のジオポリマ組成物において、フィラにおけるフライアッシュとスラグ粉末との割合は、質量比でフライアッシュ：スラグ粉末が１９：１〜６：４であるものである。
【００２１】
請求項３に記載されたジオポリマ組成物の製造方法は、フィラとモノマとを反応させて生成されたアルミノケイ酸塩酸化物を含有し、プレキャスト製品の製造に用いられるジオポリマ組成物の製造方法であって、ジオポリマ組成物の流動可能時間と離型の際の強度とに基づいてフライアッシュとスラグとの割合を調整してフィラを生成し、フィラとモノマとを反応させて未固化のジオポリマ組成物を生成し、この未固化のジオポリマ組成物をワックス系離型剤またはフィルム形成離型剤が塗布された型枠にて成形し、養生後に離型するものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、フィラにおけるフライアッシュとスラグ粉末との割合がジオポリマ組成物の流動可能時間と離型の際の強度とに基づいて調整されているため、プレキャスト製品の製造に必要な流動可能時間を確保しやすく、かつ、養生温度が低くてもプレキャスト製品の離型に必要な強度が発現しやすい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】スラグ置換率別の養生温度と材齢１日の圧縮強度との関係を示すグラフである。
【図２】スラグ置換率別の養生温度と材齢７日の圧縮強度との関係を示すグラフである。
【図３】２０℃の温度下でのスラグ置換率と未固化のジオポリマ組成物のフロー値との関係、および、スラグ置換率と未固化のジオポリマ組成物の凝結開始時間との関係を示すグラフである。
【図４】６０℃で養生した材齢１日および材齢７日のジオポリマ組成物におけるスラグ置換率と圧縮強度との関係を示すグラフである。
【図５】３０℃の温度下でのスラグ置換率別の未固化のジオポリマ組成物のスランプフローの経時変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
【００２５】
ジオポリマ組成物は、フライアッシュおよびスラグ粉末を含有したフィラとモノマとを混合して生成されるアルミノケイ酸塩酸化物を主成分とする。
【００２６】
モノマは、液状であり、例えば、水ガラス、メタケイ酸ナトリウム、水酸化カリウムおよび水などにて適宜構成される。
【００２７】
スラグ粉末は、例えば、鉄や銅などの金属を精錬する際に発生する鉄鋼スラグおよび非鉄金属スラグや、下水汚泥および焼却灰を減容化した廃棄物溶融スラグなどのスラグを粉末化したものである。
【００２８】
ここで、フィラにおけるフライアッシュとスラグ粉末との割合を調整すると、その調整にともなって、加熱養生する際にジオポリマ組成物の強度が発現しやすい温度が変化する。すなわち、フィラにおけるスラグ粉末の割合であるスラグ置換率（スラグの質量／（フライアッシュの質量＋スラグの質量））が高いほど、同じ温度で養生した場合のジオポリマ組成物の強度が向上し、低い温度で加熱養生しても強度を確保できる。これは、フライアッシュよりスラグ粉末の方が金属が溶出しやすいため、反応性が向上するものと考えられる。
【００２９】
また、フィラにおけるフライアッシュとスラグ粉末との割合を調整すると、フィラとモノマとを混合した後の流動可能時間が変化する。すなわち、フィラにおけるスラグ置換率が高いほど、混合した後に流動性を失うまでの時間が短くなり、基準のフロー値に流動性が低下するまでの流動可能時間を短くできるが、流動可能時間が短すぎると、成形に必要な時間を確保できなくなってしまう。
【００３０】
具体的には、例えば、フィラとモノマとを２０℃の温度下で混合する場合は、フィラにおけるスラグ置換率を２０％以上にすることにより、養生温度が２０〜４０℃であっても強度発現が良好で、プレキャスト製品の製造性を向上でき好ましいが、スラグ置換率が４０％を超えると、流動可能時間が短すぎて製品によっては成形に必要な時間を確保しにくくなる可能性がある。また、フィラとモノマとを３０℃の温度下で混合する場合は、２０℃の場合よりもジオポリマの反応性が高まるため、フィラにおける置換率を５％にしてもスラグ置換率が２０％の場合と同等の強度発現性を得られるが、スラグ置換率が２０％を超えると流動可能時間が短すぎて製品によっては成形に必要な時間を確保しにくくなる可能性がある。
【００３１】
したがって、フィラにおけるフライアッシュとスラグ粉末との割合は、フィラとモノマとを反応させる際の温度に応じ、ジオポリマ組成物の流動可能時間や離型の際の強度に基づいて調整されるものであり、質量比にてフライアッシュ：スラグ粉末が１９：１〜６：４の範囲となるように調整することが好ましく、より好ましくは１９：１〜８：２の範囲である。
【００３２】
次に、上記ジオポリマ組成物の製造方法を説明する。
【００３３】
ジオポリマ組成物を製造する際には、まず、フライアッシュとスラグ粉末とを混合してフィラを構成する。フィラにおけるフライアッシュとスラグ粉末との割合は、フィラとモノマとを反応させる際の温度に応じ、製造の際に必要となるジオポリマ組成物の流動可能時間や離型の際の強度に基づいて、例えば、質量比にてフライアッシュ：スラグ粉末が１９：１〜６：４の範囲となるように調整する。
【００３４】
このようにフライアッシュおよびスラグ粉末を混合したフィラと、モノマとを混合する。なお、フィラとモノマとを混合する際には、必要に応じて骨材も混合する。
【００３５】
フィラとモノマとを混合すると、フィラからアルミニウムなどの金属が溶出する。そして、この金属がモノマのケイ酸と反応しポリマ化してアルミノケイ酸塩酸化物が生成され、このアルミノケイ酸塩酸化物を含有する未固化のジオポリマ組成物が生成される。
【００３６】
次いで、未固化のジオポリマ組成物を鋼製型枠を用いて成形する。鋼製型枠で成形する際には、鋼製型枠の表面にワックス系離型剤またはフィルム形成離型剤を塗布して離型剤の皮膜を形成した状態で、ジオポリマ組成物を鋼製型枠に流し込む。なお、ジオポリマ組成物の流動可能時間が短すぎると、成形する際に十分な時間を確保できなくなってしまうため、例えば流動可能時間が３０分以上になるように、フィラにおけるフライアッシュとスラグ粉末との割合を調整する。
【００３７】
そして、所定の温度および時間で養生して未固化のジオポリマ組成物を固化させることで、離型するために必要な所定の強度が得られ、この所定強度が得られたジオポリマ組成物（固化体）を型枠から離型する。なお、ワックス系離型剤またはフィルム形成離型剤の耐熱性を考慮すると、加熱養生温度は２０〜６０℃が好ましく、より好ましくは２０〜４０℃であり、これらの温度で離型に必要な強度が発現するように、フィラにおけるフライアッシュとスラグ粉末との割合を調整する。
【００３８】
次に、上記一実施の形態の効果を説明する。
【００３９】
上記ジオポリマ組成物によれば、フィラにおけるフライアッシュとスラグ粉末との割合が、フィラとモノマとを反応させる際の温度に応じ、ジオポリマ組成物の流動可能時間と離型の際の強度とに基づいて調整されているため、比較的に養生温度が低くても離型に必要な強度が発現しやすい。したがって、例えば２０℃のようにワックス系離型剤またはフィルム形成離型剤の皮膜が劣化しにくい温度で養生しても、強度が発現しやすい。
【００４０】
そして、このようなジオポリマ組成物をプレキャスト製品の製造に用いることにより、養生温度が低くても鋼製型枠から離型するために十分な強度を確保できるため、離型剤として耐熱性が低いワックス系離型剤またはフィルム形成離型剤を用いても、これら離型剤にて鋼製型枠に形成された皮膜の性質を維持でき、鋼製型枠に対する良好な離型性を確保できるとともに、ジオポリマ組成物によるプレキャスト製品の製造性を向上できる。
【００４１】
さらに、フィラにおけるフライアッシュとスラグ粉末との割合を調整することにより、未固化のジオポリマ組成物の流動可能時間を変化させることができるため、製品の形状や大きさ毎に異なる所要の成形時間に柔軟に対応可能であり、ジオポリマ組成物によるプレキャスト製品の製造性を向上できる。
【００４２】
特に、フィラにおけるフライアッシュとスラグ粉末との割合を、質量比にてフライアッシュ：スラグ粉末が１９：１〜６：４の範囲とすることにより、ワックス系離型剤またはフィルム形成離型剤が劣化しにくいような比較的低温で養生してもジオポリマ組成物の強度を確保できるとともに、未固化のジオポリマ組成物の流動時間を適切に設定でき、プレキャスト製品の製造に好適である。
【００４３】
より具体的には、フィラにおけるフライアッシュ：スラグ粉末を８：２〜６：４にすることにより、２０℃の温度下において、フィラとモノマとを混合した後の流動可能時間を適切に設定できるとともに、離型の際に必要な強度を適切に発現させることができる。
【００４４】
また、フィラにおけるフライアッシュ：スラグ粉末を１９：１〜８：２にすることにより、３０℃の温度下において、フィラとモノマとを混合した後の流動可能時間を適切に設定できるとともに、離型の際に必要な強度を適切に発現させることができる。
【００４５】
なお、上述のようにフィラから溶出する金属がモノマのケイ酸錯体と反応してジオポリマ組成物が生成されるため、フィラにおけるスラグ粉末は、粉末度が高い方が金属を溶出しやすく反応性が高いと考えられる。
【実施例１】
【００４６】
まず、フィラにおけるフライアッシュとスラグ粉末との割合の違いによる圧縮強度の違いを確認した。
【００４７】
表１に示すように、フィラとしてフライアッシュ（ＪＩＳII種）および高炉スラグ（ＪＩＳ高炉スラグ微粉末４０００）を混合したものを使用し、モノマとして水ガラス、メタケイ酸ナトリウム、水酸化カリウムおよび水を適宜使用し、骨材として珪砂を使用し、２０℃の温度下でそれぞれを混合して未固化のジオポリマ組成物を生成した。
【００４８】
なお、フィラは、フライアッシュと高炉スラグ微粉末との割合が、質量比で１０：０（スラグ置換率０％）、８：２（スラグ置換率２０％）および６：４（スラグ置換率４０％）のものを用いた。
【００４９】
【表１】
2014040332.tif 000002
【００５０】
このように２０℃で生成した未固化のジオポリマ組成物それぞれを、２０℃、４０℃および６０℃のそれぞれの温度で６時間加熱養生して、各ジオポリマ組成物（固化体）の供試体を作成した。
【００５１】
そして、各供試体について、混合から２４時間後（材齢１日）および材齢７日での圧縮強度を測定した。なお、ジオポリマ組成物の強度については、型枠から離型可能な圧縮強度の目安が１０〜１５Ｎ／ｍｍ２であるため、材齢１日の強度の基準を、１５Ｎ／ｍｍ２以上とした。また、プレキャスト製品の設計強度は、ブロック類の場合が２０〜３５Ｎ／ｍｍ２、構造物類の場合（ＰＣ製品を除く。）が３０〜６０Ｎ／ｍｍ２であり、製品によって異なるため、材齢７日での圧縮強度については、基準値を設けないことにした。
【００５２】
図１には、フィラにおけるスラグ置換率別の養生温度と材齢１日のジオポリマ組成物の圧縮強度との関係を示し、図２には、フィラにおけるスラグ置換率別の養生温度と材齢７日のジオポリマ組成物の圧縮強度との関係を示す。
【００５３】
図１に示すように、フィラのスラグ置換率０％でフライアッシュのみ（フライアッシュ：スラグ微粉末＝１０：０）のものは、養生温度が２０℃および４０℃の場合における材齢１日の圧縮強度が１５Ｎ／ｍｍ２未満で、養生温度が６０℃の場合における材齢１日の圧縮強度が１５Ｎ／ｍｍ２を超えていた。したがって、スラグ置換率０％では、ジオポリマ組成物が離型できる強度を確保するには、６０℃で加熱養生する必要がある。
【００５４】
また、フィラのスラグ置換率が２０％（フライアッシュ：スラグ微粉末＝８：２）のもの、および、フィラのスラグ置換率が４０％（フライアッシュ：スラグ微粉末＝６：４）のものは、養生温度が２０℃、４０℃および６０℃のいずれの場合でも、材齢１日での圧縮強度が１５Ｎ／ｍｍ２を超えていた。したがって、ワックス系離型剤またはフィルム形成離型剤の皮膜が劣化しにくい温度で加熱養生しても、離型するために十分な強度を確保できる。
【００５５】
さらに、図２に示すように、スラグ置換率が０％のものは、養生温度が２０℃および４０℃の場合の材齢７日での圧縮強度が２０Ｎ／ｍｍ２未満であり、あらゆるプレキャスト製品に適した強度は得られなかった。
【００５６】
スラグ置換率２０％の場合の材齢７日での圧縮強度は、養生温度が２０℃では３７Ｎ／ｍｍ２、養生温度が４０℃では４８Ｎ／ｍｍ２、養生温度が６０℃では６０Ｎ／ｍｍ２以上であった。
【００５７】
また、スラグ置換率４０％の場合の材齢７日での圧縮強度は、養生温度が２０℃、４０℃および６０℃の場合のいずれも６０Ｎ／ｍｍ２を超えていた。
【００５８】
したがって、スラグ置換率２０％およびスラグ置換率４０％のものは、ワックス系離型剤の皮膜が劣化しにくい温度で加熱養生しても、様々なプレキャスト製品、特に構造物類に適した強度を確保できる。
【００５９】
次に、上記各スラグ置換率のフィラとモノマと骨材とを２０℃にてそれぞれ混合した後に、混合直後の未固化のジオポリマ組成物のフロー値と、流動性を失うまでの時間（凝結開始時間）とを測定した。
【００６０】
図３には、スラグ置換率と混合直後の未固化のジオポリマ組成物のフロー値との関係、および、スラグ置換率と未固化のジオポリマ組成物の凝結開始時間との関係を示す。
【００６１】
この図３に示すように、２０℃にて混合したジオポリマ組成物は、スラグ置換率が増加するに従ってフロー値が小さくなるため、スラグ置換率の小さい方が作業性が向上するが、スラグ置換率０％では未固化のジオポリマ組成物が凝結を開始するまでに２日かかってしまい、製造性が悪化してしまう。
【００６２】
また、スラグ置換率４０％では、混合後３０分で未固化のジオポリマ組成物の凝結が開始していた。
【００６３】
したがって、スラグ置換率を高くするほど凝結開始時間が短くなり、スラグ置換率を調整することにより、未固化のジオポリマ組成物における流動時間を適切に設定できる。
【実施例２】
【００６４】
上記実施例１に対して、ジオポリマ組成物の生成時の温度が異なる場合の、フィラにおけるフライアッシュとスラグ粉末との割合の違いによる流動性および圧縮強度の違いを確認した。
【００６５】
この実施例２では、表２に示すように実施例１の珪砂に代えて砕石および砕砂を用い、３０℃で混合して未固化のジオポリマ組成物を生成した。
【００６６】
なお、フィラは、フライアッシュと高炉スラグ微粉末との割合が、質量比で１０：０（スラグ置換率０％）、１９：１（スラグ置換率５％）、９：１（スラグ置換率１０％）および８：２（スラグ置換率２０％）のものを用いた。
【００６７】
【表２】
2014040332.tif 000003
【００６８】
このように３０℃で生成した未固化のジオポリマ組成物それぞれを、６０℃の温度で６時間加熱養生し、各ジオポリマ組成物（固化体）の供試体を作成した。
【００６９】
そして、各供試体について、混合から２４時間後（材齢１日）および材齢７日での圧縮強度を測定した。この結果を図４に示す。
【００７０】
図４に示すように、スラグ置換率に関係なく材齢１日の圧縮強度は１５Ｎ／ｍｍ２以上であり、離型するために十分な強度が得られた。
【００７１】
また、スラグ置換率０％の場合には、材齢７日の圧縮強度が３３Ｎ／ｍｍ２であり、スラグ置換率５％、スラグ置換率１０％およびスラグ置換率２０％の場合には、いずれも材齢７日の圧縮強度が６０Ｎ／ｍｍ２を超えていた。
【００７２】
したがって、スラグ置換率０％の場合は、ブロック類製品には広く適用できるが、構造物類製品に適用するにはその対象がごく一部に限定されてしまう。
【００７３】
一方、スラグ置換率５％、スラグ置換率１０％およびスラグ置換率２０％の場合は、様々なプレキャスト製品、特に構造物類に適した強度を確保できる。
【００７４】
次に、上記各スラグ置換率のフィラとモノマと骨材とをそれぞれ３０℃にて混合した後に、未固化のジオポリマ組成物の経過時間とスランプフローとの関係を測定した。この結果を図５に示す。
【００７５】
この図５に示すように、温度３０℃にて流動性を失うまでに、スラグ置換率２０％のものは３０分を要し、スラグ置換率１０％のものは６０分を要し、スラグ置換率５％およびスラグ置換率０％のものは６０分経過しても流動性を有していた。
【００７６】
したがって、例えば夏季などの気温が３０℃以上で製造環境の温度が高い時期においては、プレキャスト製品の成形に要する時間に応じて、スラグ置換率を適切に調整することで、円滑な製造が可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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