(57)【要約】【課題】  ジオポリマー組成物の作製において、凝結時間と圧縮強度を適切かつ同時にコントロールする。【解決手段】  フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに対して、不活性フィラーであるカルシウム系粉体からなる第１の混和材、アルカリ刺激を高めるための水酸化物粉体からなる第２の混和材、糖類、酸、アルカリ性溶液中で作用するキレート剤の少なくとも１種類からなる第３の混和材のうちの少なくとも１つの混和材を混和することにより、凝結時間を調整して、凝結時間の異なるジオポリマー組成物を作製する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに対して、不活性フィラーであるカルシウム系粉体からなる第１の混和材、アルカリ刺激を高めるための水酸化物粉体からなる第２の混和材、糖類、酸、アルカリ性溶液中で作用するキレート剤の少なくとも１種類からなる第３の混和材のうちの少なくとも１つの混和材を混和することにより、凝結時間を調整して、凝結時間の異なるジオポリマー組成物を作製することを特徴とするジオポリマー組成物の凝結時間の調整方法。
【請求項２】
前記第１の混和材は、圧縮強度を増進させることなく凝結時間を調整するための混和材であり、前記第２の混和材は、圧縮強度を増進させると共に凝結時間を調整するための混和材であり、前記第３の混和材は、凝結時間を調整するため、あるいは流動性を調整するための混和材であることを特徴とする請求項１に記載のジオポリマー組成物の凝結時間の調整方法。
【請求項３】
前記第１の混和材、前記第２の混和材、前記第３の混和材のいずれか１つを用いたジオポリマー組成物において、前記活性フィラーの一部を水酸化カルシウムに置換することにより、アンモニアガスの発生を抑制することを特徴とする請求項１又は２に記載のジオポリマー組成物の凝結時間の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジオポリマー組成物の凝結時間の調整方法に関するものであり、詳しくは、ジオポリマー組成物を作製する際に混和材の種類を適宜選択することにより、凝結時間を調整するための方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、一般的に使用されているコンクリート（炭酸カルシウムを主成分とする石灰石を原料としたコンクリート）に替えて、ＣＯ2排出量を抑制すると共に、産業副産物を再利用して環境負荷を低減することが可能なジオポリマー組成物を用いた硬化体が注目されている。ジオポリマーとは、活性フィラーと称される鉱物質粉体を、珪酸アルカリ又はアルカリ溶液で処理して得られる無機ポリマーである。活性フィラーには、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリン等があり、これらを原料としたジオポリマー組成物の作製方法が種々提案されている（特許文献１〜４参照）。
【０００３】
特許文献１（特開２００８−２３９４４６号公報）に記載された技術は、フィラーと、アルカリ活性剤と、骨材とを原料としたジオポリマー組成物に関するものである。このジオポリマー組成物のフィラーは、少なくともフライアッシュを含んでおり、アルカリ活性剤は、少なくとも水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、珪酸ナトリウム、珪酸カリウムのいずれかを含んでいる。
【０００４】
特許文献２（特開平８−３０１６３８号公報）に記載された技術は、珪酸ナトリウム水溶液と生のカオリン質粉体を混合して型枠に流し込み、常温でそのまま固化させたジオポリマー組成物に関するものである。そして、固化反応を促進させる薬剤として、珪弗化カリウム又は高炉水砕スラグを混和する。
【０００５】
特許文献３（特開平８−３０１６３９号公報）に記載された技術は、珪酸ナトリウム水溶液とフライアッシュを混合して型枠に流し込み、常温でそのまま固化させるか蒸気養生により固化させたジオポリマー組成物に関するものである。
【０００６】
特許文献４（特開２０１０−１４３７７４号公報）に記載された技術は、下水汚泥溶融スラグ粉末をジオポリマー液で固化した固化体であって、ジオポリマーのモノマー源のシリケートモノマーが、下水汚泥溶融スラグ由来の金属イオンにより縮重合して固化したマトリックス構造体中に、下水汚泥溶融スラグ粉末が分散している構造を有するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２３９４４６号公報
【特許文献２】特開平８−３０１６３８号公報
【特許文献３】特開平８−３０１６３９号公報
【特許文献４】特開２０１０−１４３７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、ジオポリマー法を用いた硬化体の作製方法については、従来より種々の手法が提案されているが、いずれも硬化体（固化体）を得る作製方法に関する技術であり、凝結時間のコントロールなど、ジオポリマー全般に関する急結性能に対して言及した作製方法は開示されていない。
【０００９】
珪酸アルカリ又はアルカリ溶液には、大別して、Ｎａ（ナトリウム）系とＫ（カリウム）系の２種類がある。使用するフィラーの種類や組合せにもよるが、Ｋ系の珪酸アルカリおよびＫ系のアルカリ溶液を単独あるいは併用して用いる場合には、その凝結時間は非常に長いものとなる。また、活性フィラーにフライアッシュ（活性の弱い鉱物質粉体）を用いた場合、Ｎａ系の珪酸アルカリにＫ系のアルカリ溶液を併用した場合でも、丸１日程度流動性を保持した状態が持続する。
【００１０】
一方、Ｎａ系の珪酸アルカリおよびＮａ系のアルカリ溶液を単独で使用し、あるいは両者を併用するなど、アルカリ成分をＮａのみとした場合には、その凝結時間は極端に短くなり、ハンドリング性能が著しく損なわれる。
【００１１】
このように、配合物中に含まれるアルカリ成分の比率（Ｎａ量とＫ量の比率）や活性度の異なる（活性度が強い／活性度が弱い）活性フィラーを組み合わせることにより、凝結時間をある程度コントロールすることは可能である。しかし、アルカリ成分の量および活性フィラーの活性度は、得られる硬化体の圧縮強度と高い相関性を示すため、上述した組合せのみでは、凝結時間と圧縮強度を同時にコントロールすることは困難である。
【００１２】
本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、凝結時間と圧縮強度を適切かつ同時にコントロールすることが可能な、ジオポリマー組成物の凝結時間の調整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】
【００１３】
上述した目的を達成するため、本発明に係るジオポリマー組成物の凝結時間の調整方法は、以下の特徴点を有している。すなわち、本発明に係るジオポリマー組成物の凝結時間の調整方法は、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに対して、不活性フィラーであるカルシウム系粉体からなる第１の混和材、アルカリ刺激を高めるための水酸化物粉体からなる第２の混和材、糖類、酸、アルカリ性溶液中で作用するキレート剤の少なくとも１種類からなる第３の混和材のうちの少なくとも１つの混和材を混和することにより、凝結時間を調整して、凝結時間の異なるジオポリマー組成物を作製することを特徴とするものである。
【００１４】
上述したジオポリマー組成物の凝結時間の調整方法において、第１の混和材は、圧縮強度を増進させることなく凝結時間を調整するための混和材であり、第２の混和材は、圧縮強度を増進させると共に凝結時間を調整するための混和材であり、第３の混和材は、凝結時間を調整するための混和材であると共に、流動性を調整するための混和材でもある。
【００１５】
また、第１の混和材、第２の混和材、第３の混和材のいずれか１つを用いたジオポリマー組成物において、活性フィラーの一部を水酸化カルシウムに置換することにより、アンモニアガスの発生を抑制する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るジオポリマー組成物の凝結時間の調整方法によれば、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに対して、凝結時間の調整能が異なる混和材を適宜選択して混和することにより、ジオポリマー組成物を作製する際に、凝結時間と圧縮強度を適切かつ同時にコントロールすることが可能となる。
【００１７】
また、活性フィラーの一部を水酸化カルシウムに置換することにより、凝結時間を調整するだけではなく、アンモニアガスの発生を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】カルシウム系粉体を混和したジオポリマー組成物において、カルシウム系粉体が圧縮強度へ及ぼす影響を示すグラフ。
【図２】Ｎａ系アルカリ溶液に、キレート剤及び炭酸カルシウムを混和した場合の流動性及び凝結時間試験の実験結果を示す模式図。
【図３】Ｋ系アルカリ溶液に、キレート剤及び炭酸カルシウムを混和した場合の流動性及び凝結時間試験の実験結果を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
＜ジオポリマー組成物＞
以下、本発明に係るジオポリマー組成物の凝結時間の調整方法の実施形態を説明する。本発明の実施形態に係るジオポリマー組成物は、活性フィラーと、アルカリ活性剤と、骨材とを原料として得られる組成物であり、活性フィラーをアルカリ活性剤溶液で活性化し、重合固化させることにより硬化体を作製する。すなわち、活性フィラーから溶出したアルミニウム等の金属が水ガラス成分を含む水と接触すると、珪酸錯体（ＳｉＯ4）が架橋されてポリマー化することにより、硬化体を得ることができる。
【００２０】
＜活性フィラー＞
本発明の実施形態で使用する活性フィラーは、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類である。これらの活性フィラーのうち、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥は、ガラス成分を含む産業副産物であり、これらを再利用することにより環境負荷を低減することができる。
【００２１】
フライアッシュは、石炭火力発電所において燃焼副産物として排出される石炭灰であり、シリカ（ＳｉＯ2）及びアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を主成分としている。高炉スラグは、銑鉄製造工程で発生する産業副産物であり、石灰（ＣａＯ）及びシリカ（ＳｉＯ2）を主成分とし、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）やマグネシア（ＭｇＯ）を含んでいる。下水焼却汚泥は、下水処理において発生する汚泥を焼却したもので、シリカ（ＳｉＯ2）及びアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を主成分とし、リン酸（Ｐ2Ｏ5）を含んでいる。カオリン（Ａｌ2Ｓｉ2Ｏ5（ＯＨ）4）は、天然に産出する珪酸塩鉱物の１種である。
【００２２】
＜アルカリ活性剤＞
アルカリ活性剤としては、例えば、水ガラス（珪酸ナトリウム溶液又は珪酸カリウム溶液）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）溶液、メタ珪酸ナトリウム粉体等を用いることができる。
【００２３】
＜骨材＞
骨材としては、一般的なコンクリートやモルタルに使用されているものを用いることができる。
【００２４】
＜実施例１＞
実施例１に係る凝結時間の調整方法では、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに対して、不活性フィラーであるカルシウム系粉体からなる第１の混和材を混和することにより、圧縮強度を増進させることなく凝結時間を調整する。
【００２５】
不活性フィラーであるカルシウム系粉体は、例えば、石灰石微粉末、炭酸カルシウム微粉末等を用いることができる。図１に、カルシウム系粉体を混和したジオポリマー組成物において、当該カルシウム系粉体が圧縮強度へ及ぼす影響を示す。図１から明らかなように、活性フィラーに対して不活性フィラーであるカルシウム系粉体を混和した場合には、圧縮強度を極端に増進させることがない。これにより、圧縮強度を増進させることなく凝結時間を調整したジオポリマー組成物を作製することができる。
【００２６】
Ｎａ系の珪酸アルカリ又はアルカリ溶液を用いた場合であっても、Ｋ系の珪酸アルカリ又はアルカリ溶液を用いた場合であっても、カルシウム系の混和材を添加すると、原則として凝結時間は短くなる。特に、Ｎａ系の珪酸アルカリ又はアルカリ溶液を用いた場合では、凝結時間の短縮は顕著となる。このとき、高炉スラグのようにアルカリ活性の高い粉体を混和材として用いると、凝結時間が極端に短くなり、なおかつ流動性の低下を伴う。
【００２７】
また、Ｎａ系の珪酸アルカリ又はアルカリ溶液を用いた場合には、アルカリ活性の高い粉体からなる混和材を添加すると、凝結時間をコントロールするために添加量を微調整しなければならず、混和材の配合やハンドリングが難しくなるおそれがある。しかし、Ｎａ系の珪酸アルカリ又はアルカリ溶液を用いて、瞬結系（凝結時間が概ね５〜３０分以下）のジオポリマー組成物を作製する場合には、温度の影響によるばらつきはあるものの、アルカリ活性の高い粉体は有用であり、少ない添加量で凝結時間を調整できるというコストメリットも含めて、配合やハンドリングの難しさを補うに足りる利点がある。
【００２８】
一方、Ｋ系の珪酸アルカリ又はアルカリ溶液を用いた場合には、混和材を添加することにより、温度の影響はあるものの、概ね９０分以下の凝結時間とすることができる。Ｋ系の珪酸アルカリ又はアルカリ溶液を用いて、アルカリ活性の高い粉体として高炉スラグを添加した場合には、１０％程度の添加で凝結時間が概ね６０〜９０分以下と急落し、１００％の添加では凝結時間が概ね１０分足らずとなる。なお、高炉スラグを添加しない場合には、１２時間以上凝結しない。
【００２９】
ただし、Ｋ系の珪酸アルカリ又はアルカリ溶液を用いた場合であっても、凝結時間が長いという点が逆に問題となる場合がある。すなわち、凝結時間が長いと、いつまでも脱型できず、あるいは型枠に非常に大きな力が作用するため、剛性の高い型枠が必要となる等の問題が生じる。したがって、混和材を添加することにより、凝結時間が短縮されることは利点であるとも言える。
【００３０】
なお、不活性なカルシウム系粉体を用いた場合には、比較的緩やかに凝結時間をコントロールすることが可能であるため、配合設計やハンドリングの調整がし易いといった利点がある。この場合、水酸基を伴うものか否かによっても、強度の増進効果の有無を選択することができるので、凝結時間と圧縮強度を同時にコントロールすることが可能な材料として有用である。さらに、カルシウム系の混和材（炭酸カルシウム、石灰粉など）は、コンクリート分野で流通が確立しているため、安価かつ容易に入手可能な材料として優れている。
【００３１】
＜実施例２＞
実施例２に係る凝結時間の調整方法では、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに対して、アルカリ刺激を高めるための水酸化物粉体からなる第２の混和材を混和することにより、圧縮強度を増進させると共に凝結時間を調整する。
【００３２】
アルカリ刺激を高めるための水酸化物粉体は、例えば、水酸化カルシウム微粉末を用いることができる。実施例２の調整方法では、水酸化カルシウム微粉末のようにアルカリ刺激を高めるための混和物を混和することにより、圧縮強度を増進させると共に凝結時間を調整したジオポリマー組成物を作製することができる。
【００３３】
＜実施例３＞
実施例３に係る凝結時間の調整方法では、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに対して、糖類、酸、アルカリ性溶液中で作用するキレート剤の少なくとも１種類からなる第３の混和材を混和することにより、凝結時間を調整する。
【００３４】
糖類としては、例えば、二糖類、ショ糖を用いることができる。酸としては、特に限定されるものではない。アルカリ性溶液中で作用するキレート剤としては、凝結時間の遅延効果を発揮するものとして、例えば、カルボン酸塩（オキシカルボン酸、ポリヒドロキシカルボン酸等）、グルコン酸塩（グルコン酸ナトリウム等）を用いることができる。また、流動性調整効果を発揮するキレート剤として、例えば、ポリオール化合物、スルホン酸塩（メラミン、ナフタリン、アルキルアリル等）を用いてもよい。
【００３５】
上述したように、第１の混和材又は第２の混和材は、凝結時間や圧縮強度を調整するために有用な混和材であるが、これらのみによる凝結時間の調整には限界があることも確かである。このため、配合設計やハンドリング性能を向上させるため、第３の混和材を併用することにより、凝結時間や圧縮強度の調整幅を広げることができる。
【００３６】
＜実施例４＞
実施例４に係る凝結時間の調整方法では、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに対して、糖類、酸、アルカリ性溶液中で作用するキレート剤の少なくとも１種類からなる第３の混和材を混和することにより、流動性を調整する。実施例４では、上述した第３の混和材を混和することにより、流動性を調整することができる。すなわち、第３の混和材は、ジオポリマー組成物の作製において、凝結時間調整材としてだけではなく、流動性調整材としても作用する。
【００３７】
＜実施例３及び実施例４の実験結果＞
図２に、Ｎａ系アルカリ溶液に、キレート剤及び炭酸カルシウムを混和した場合の流動性及び凝結時間試験の実験結果を示し、図３に、Ｋ系アルカリ溶液に、キレート剤及び炭酸カルシウムを混和した場合の流動性及び凝結時間試験の実験結果を示す。なお、図２及び図３に示す模式図は、モルタルフロー試験を行った結果を模式的に示すものである。図２及び図３から明らかなように、Ｎａ系アルカリ溶液又はＫ系アルカリ溶液のいずれにおいても、キレート剤及び炭酸カルシウムの混和量（混和材の混和率）に応じて、流動性及び凝結時間を調整することができる。
【００３８】
＜実施例５＞
実施例５の調整方法では、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに対して、不活性フィラーであるカルシウム系粉体からなる第１の混和材、アルカリ刺激を高めるための水酸化物粉体からなる第２の混和材、糖類、酸、アルカリ性溶液中で作用するキレート剤の少なくとも１種類からなる第３の混和材のうちの少なくとも１つの混和材を混和することにより、凝結時間を調整して、凝結時間の異なるジオポリマー組成物を作製する。
【００３９】
第１の混和材、第２の混和材、第３の混和材は、上述した通りである。すなわち、これらの混和材の組み合わせ及び混和率を適宜調整することにより、短時間で急硬性を示す瞬結材や、長時間流動性を保持するための遅延材を適宜混合して混和した状態となり、所望の凝結時間を有するジオポリマー組成物を作製することができる。
【００４０】
＜実施例６＞
実施例６の調整方法では、第１の混和材、第２の混和材、第３の混和材のいずれか１つを用いたジオポリマー組成物において、活性フィラーの一部を水酸化カルシウムに置換することにより、アンモニアガスの発生を抑制する。
【００４１】
すなわち、活性フィラーにアルカリ活性剤を加えると、活性フィラー中に含まれる窒素化合物が化学反応を起こしてアンモニアガスが発生する。そこで、活性フィラーの一部を水酸化カルシウムに置換することにより、アンモニアガスの発生源である窒素化合物量が相対的に減少し、アンモニアガスの発生を抑制することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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