(57)【要約】【課題】  産業廃棄物や副産物を大量に使用した場合においても、ペースト、モルタル、コンクリート等の原料として用いたときに、練混ぜ直後に十分に大きな流動性が得られるとともに流動性の経時変化が抑制され、かつ、硬化後に長期にわたって十分な強度を発現可能なセメントクリンカーを提供すること。【解決手段】  ボーグ式により算出したときに、Ｃ３Ａ量が７質量％以下、Ｃ３Ａ及びＣ４ＡＦの合計量が１６〜３２質量％、Ｃ３Ｓ量が１２質量％以上、Ｃ２Ｓ量が２５質量％以上である、セメントクリンカー。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボーグ式により算出したときに、Ｃ３Ａ量が７質量％以下、Ｃ３Ａ及びＣ４ＡＦの合計量が１６〜３２質量％、Ｃ３Ｓ量が１２質量％以上、Ｃ２Ｓ量が２５質量％以上である、セメントクリンカー。
【請求項２】
アルカリ量が０．５質量％以上、かつ、水溶性アルカリ量が０．４質量％以下である、請求項１記載のセメントクリンカー。
【請求項３】
セメントクリンカーと、石膏と、を含有し、
ボーグ式により算出したときに、Ｃ３Ａ量が７質量％以下、Ｃ３Ａ及びＣ４ＡＦの合計量が１６〜３２質量％、Ｃ３Ｓ量が１０質量％以上、Ｃ２Ｓ量が２５質量％以上である、セメント組成物。
【請求項４】
請求項３記載のセメント組成物と、骨材と、を含むコンクリート組成物。
【請求項５】
鉄鋼スラグ、非鉄スラグ、石炭灰、下水汚泥、建設発生土及び鋳物砂からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む再利用原料を含有するセメントクリンカー原料を焼成して、
ボーグ式により算出したときに、Ｃ３Ａ量が７質量％以下、Ｃ３ＡとＣ４ＡＦの合計量が１６〜３２質量％、Ｃ３Ｓ量が１２質量％以上、Ｃ２Ｓ量が２５質量％以上であるセメントクリンカーを得る、セメントクリンカーの製造方法。
【請求項６】
前記セメントクリンカー原料が、得られるセメントクリンカー１ｔに対して２２０ｋｇ以上の前記再利用原料を含む、請求項５記載のセメントクリンカーの製造方法。
【請求項７】
前記セメントクリンカー原料を１３５０℃〜１４５０℃で焼成する、請求項５又は６記載のセメントクリンカーの製造方法。
【請求項８】
前記セメントクリンカー原料が、得られるセメントクリンカー１ｔに対して非鉄スラグを５０ｋｇ以上、石炭灰を１２０ｋｇ以上含む、請求項５〜７の何れか一項に記載のセメントクリンカーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セメントクリンカー、セメント組成物、コンクリート組成物およびセメントクリンカーの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１９９０年代より資源循環型社会の構築に対する機運が高まり、セメント産業においても産業廃棄物や副産物の使用量のさらなる増大が望まれている。一般に、セメントクリンカーの原料として使用できる廃棄物はＡｌ２Ｏ３を含む成分に富むため、市販のポルトランドセメントと同じ製造条件でこれらの使用量を単純に増大すると、セメントクリンカー中の３ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３（Ｃ３Ａ）や４ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・Ｆｅ２Ｏ３（Ｃ４ＡＦ）の量が増大することになる。
【０００３】
都市ゴミ焼却灰等の廃棄物を多量に使用して製造されるセメントとして、ＪＩＳ  Ｒ  ５２１４「エコセメント」で規定されているエコセメントがある。このセメントは、従来のポルトランドセメントとは異なり、カルシウムクロロアルミネート化合物又はＣ３Ａを多量に含むことを特徴としている。
【０００４】
しかし、カルシウムクロロアルミネート化合物やＣ３Ａは水和活性が非常に高いため、これらを多く含むセメントは、一般に、水等とともに練り混ぜてコンクリートを調製したときに、練混ぜ直後のコンクリートの流動性が悪く、しかも流動性の経時変化が大きい。そこで、産業廃棄物や副産物を多く含むセメントを用いたコンクリートの流動性を改善する方法として、石灰石粉末又はポリカルボン酸系分散剤を添加する方法や、粒度を特定範囲に規定する方法が提案されている（特許文献１〜３）。
【特許文献１】特開平１１−１９９３０１号公報
【特許文献２】特開平１１−２２８２０９号公報
【特許文献３】特開平１１−２７８８８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、産業廃棄物や副産物を大量に使用する場合には、従来のセメントクリンカーでは、練混ぜ直後の流動性がまだ十分大きいものではなかった。一般にコンクリートは、セメントクリンカーを含むセメント組成物と、骨材、水等とを練り混ぜてコンクリート組成物を調製した後、運搬を経て打設される。そのため、コンクリート組成物は、原料を練り混ぜた後、ある程度の長い時間は流動性の高い状態を維持することが求められる。練混ぜ直後の流動性は、単位水量あるいは減水剤添加量の増加である程度の改善が可能であるが、単位水量の増加は硬化後のコンクリート特性に悪影響を及ぼし、減水剤添加量の増加は大幅なコストアップとなる。また、従来のセメントクリンカーを用いる場合、コンクリートの流動性の経時変化が大きいという問題もあった。流動性の経時変化が大きいと、ポンプ圧送が困難になるなどのトラブルの原因となることから、経時変化は小さい方が好ましい。
【０００６】
さらに、コンクリート硬化体の特性については、長期にわたって十分な強度を発現するための長期強度発現性が低い場合、中性化の進行が早い、あるいは塩分浸透性が大きい等、耐久性の問題が生じる。また、長期強度発現性を確保するために水セメント比を小さくすると、流動性の問題が一層顕著に現れる点やコンクリートのコストが増大する点で問題となる。従って、使用するセメント組成物は、たとえ産業廃棄物や副産物を有効に活用したセメントであっても、練混ぜ直後の流動性が高くその経時変化が小さいこと、また、汎用的に使用される普通ポルトランドセメントや高炉セメントＢ種程度の長期的な強度発現性を示すことが望まれている。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、産業廃棄物や副産物を大量に使用した場合においても、ペースト、モルタル、コンクリート等の原料として用いたときに、練混ぜ直後に十分に大きな流動性が得られるとともに流動性の経時変化が抑制され、かつ、硬化後に長期にわたって十分な強度を発現可能なセメントクリンカーを提供することを目的とする。また、本発明は、これを使用したセメント組成物、コンクリート組成物、および該セメントクリンカー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】
【０００８】
本発明者等は、上記課題を解決するために、産業廃棄物や副産物をセメントクリンカーの原料として使用したセメント組成物において、鉱物組成と流動性および強度発現性との関係について詳細に検討した結果、セメントクリンカーの鉱物組成をある特定の範囲とすることにより、産業廃棄物や副産物を大量に使用した場合においても、ペースト、モルタル、コンクリート等の原料として用いたときに、練混ぜ直後に十分に大きな流動性が得られるとともに流動性の経時変化が抑制され、かつ、硬化後に長期にわたって十分な強度を発現可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、ボーグ式により算出したときに、Ｃ３Ａ量が７質量％以下、Ｃ３Ａ及びＣ４ＡＦの合計量が１６〜３２質量％、Ｃ３Ｓ量が１２質量％以上、Ｃ２Ｓ量が２５質量％以上である、セメントクリンカーである。
【００１０】
このセメントクリンカーによれば、産業廃棄物や副産物を大量に使用した場合においても、コンクリートの原料として用いたときに、練混ぜ直後のコンクリートが十分な流動性を示すとともに流動性の経時変化が抑制され、かつ、長期にわたって十分な強度を発現可能となる。
【００１１】
本発明のセメントクリンカーは、アルカリ量が０．５質量％以上、かつ、水溶性アルカリ量が０．４質量％以下であることが好ましい。これにより、長期間にわたる強度発現の点で更に改善されるとともに、流動性の経時変化がより小さくなる。
【００１２】
また、本発明は、セメントクリンカーと、石膏と、を含有し、ボーグ式により算出したときに、Ｃ３Ａ量が７質量％以下、Ｃ３Ａ及びＣ４ＡＦの合計量が１６〜３２質量％、Ｃ３Ｓ量が１０質量％以上、Ｃ２Ｓ量が２５質量％以上である、セメント組成物である。
【００１３】
このセメント組成物は、含まれる鉱物の組成をある特定の範囲としたことにより、ペースト、モルタル、コンクリート等の原料として使用したときに、練混ぜ直後に十分に大きな流動性が得られるとともに流動性の経時変化が抑制され、かつ、長期にわたって十分な強度を発現可能となった。
【００１４】
また、本発明は、上記のセメント組成物と、骨材と、を含むコンクリート組成物である。このコンクリート組成物によれば、上記本発明のセメント組成物を用いていることにより、コンクリートの原料として用いたときに、練混ぜ直後のコンクリートが十分な流動性を示すとともに流動性の経時変化が抑制され、かつ、硬化後に長期にわたって十分な強度を発現可能となった。
【００１５】
また、本発明は、鉄鋼スラグ、非鉄スラグ、石炭灰、下水汚泥、建設発生土及び鋳物砂からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む再利用原料を含有するセメントクリンカー原料を焼成して、ボーグ式により算出したときに、Ｃ３Ａ量が７質量％以下、Ｃ３ＡとＣ４ＡＦの合計量が１６〜３２質量％、Ｃ３Ｓ量が１２質量％以上、Ｃ２Ｓ量が２５質量％以上であるセメントクリンカーを得る、セメントクリンカーの製造方法である。
【００１６】
この製造方法によれば、鉄鋼スラグ、非鉄スラグ、石炭灰、下水汚泥、建設発生土及び鋳物砂といった再利用原料を有効に利用しながら、ペースト、モルタル、コンクリート等の原料として用いたときに、練混ぜ直後に十分に大きな流動性が得られるとともに流動性の経時変化が抑制され、かつ、硬化後に長期にわたって十分な強度を発現可能なセメントクリンカーが得られる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、産業廃棄物や副産物を大量に使用した場合においても、ペースト、モルタル、コンクリートの原料として用いたときに、練混ぜ直後に十分に大きな流動性が得られるとともに流動性の経時変化が抑制され、かつ、硬化後に長期にわたって十分な強度を発現可能なセメントクリンカーが提供される。このセメントクリンカーは、既存のセメント製造設備や製造条件を大幅に変えること無く得ることが可能である。また、本発明によれば、セメント産業において、産業廃棄物や副産物の使用量を大幅に増大することが可能となり、資源循環型社会に一層貢献することが期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施形態について詳しく説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１９】
（セメントクリンカー）
本発明のセメントクリンカーは、ボーグ式により算出したときに、Ｃ３Ａ量が７質量％以下、Ｃ３Ａ及びＣ４ＡＦの合計量が１６〜３２質量％、Ｃ３Ｓ量が１２質量％以上、Ｃ２Ｓ量が２５質量％以上である。
【００２０】
ボーグ式は、セメントクリンカー中の主要な４鉱物の含有量を求める計算式である。セメントクリンカーの場合のボーグ式は、下記のように表される。
Ｃ３Ｓ量＝（４．０７×ＣａＯ）―（７．６０×ＳｉＯ２）―（６．７２×Ａｌ２Ｏ３）―（１．４３×Ｆｅ２Ｏ３）
Ｃ２Ｓ量＝（２．８７×ＳｉＯ２）―（０．７５４×Ｃ３Ｓ）
Ｃ３Ａ量＝（２．６５×Ａｌ２Ｏ３）―（１．６９×Ｆｅ２Ｏ３）
Ｃ４ＡＦ量＝３．０４×Ｆｅ２Ｏ３
【００２１】
式中の「ＣａＯ」、「ＳｉＯ２」、「Ａｌ２Ｏ３」及び「Ｆｅ２Ｏ３」は、それぞれ、セメントクリンカーにおけるＣａＯ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３及びＦｅ２Ｏ３のセメントクリンカー全体質量に対する含有割合（質量％）である。これらの含有割合は、ＪＩＳ  Ｒ  ５２０２「ポルトランドセメントの化学分析方法」により測定することができる。
【００２２】
Ｃ３Ａ量が７質量％を超えると、練混ぜ直後の流動性が低下するか、あるいは流動性の経時変化が増大する。Ｃ３Ａ量が少ないほど流動性が良好となるが、その反面、強度発現性は低下する傾向にあるため、Ｃ３Ａ量は０．１質量％以上とすることが望ましい。
【００２３】
Ｃ３Ａ及びＣ４ＡＦの合計量（Ｃ３Ａ量＋Ｃ４ＡＦ量）が１６質量％未満であると、セメントクリンカーの原料として使用する産業廃棄物あるいは副産物の量が少なくなり、資源循環型社会への貢献が小さくなる。Ｃ３ＡとＣ４ＡＦの合計量が３２質量％を超えると、強度発現性が低下するほか、セメントクリンカーの融液量が過剰となり、通常のロータリーキルンでは安定的に製造することができなくなる。
【００２４】
Ｃ３Ｓ量が１２質量％未満、あるいはＣ２Ｓ量が２５質量％未満であると、長期的な強度発現性が低下する。
【００２５】
産業廃棄物あるいは副産物の使用量を多くしながら、流動性および長期の強度発現の点で更に優れるものとするため、セメントクリンカーは、Ｃ３Ａ量が１〜６質量％、Ｃ３Ａ及びＣ４ＡＦの合計量が２２〜２８質量％、Ｃ３Ｓ量が１５〜４０質量％、Ｃ２Ｓ量が３０〜６０質量％であることが好ましい。
【００２６】
本発明のセメントクリンカーは、アルカリ量が０．５質量％以上、かつ、水溶性アルカリ量が０．４質量％以下であることが好ましい。ここで、「アルカリ量」は、ＪＩＳ  Ｒ  ５２０２「ポルトランドセメントの化学分析方法」あるいはＪＩＳ  Ｒ  ５２０４「セメントの蛍光Ｘ線分析方法」により測定されるＮａ２Ｏ量とＫ２Ｏ量の合計を、Ｎａ２Ｏ当量で表したものをいう。また、「水溶性アルカリ量」は、ＡＳＴＭ  Ｃ  １１４「Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  Ｃｅｍｅｎｔ」により測定される水溶性Ｎａ２Ｏ量と水溶性Ｋ２Ｏ量の合計をＮａ２Ｏ当量で表したものをいう。いずれの場合も、Ｎａ２Ｏ当量は、次式により計算される。下記式中、「Ｎａ２Ｏ」及び「Ｋ２Ｏ」は、それぞれ、セメントクリンカーにおけるＮａ２Ｏ及びＫ２Ｏのセメントクリンカー全体質量に対する含有割合である。
【００２７】
Ｎａ２Ｏ当量（質量％）＝Ｎａ２Ｏ（質量％）＋０．６５８Ｋ２Ｏ（質量％）
【００２８】
アルカリ量および水溶性アルカリ量が上記条件を満たす場合、長期の強度発現性がより一層改善されるとともに、流動性の経時変化を更に小さくすることができる。
【００２９】
（セメントクリンカーの製造方法）
上記のセメントクリンカーは、例えば、鉄鋼スラグ、非鉄スラグ、石炭灰、下水汚泥、建設発生土及び鋳物砂からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む再利用原料を含有するセメントクリンカー原料を焼成して、ボーグ式により算出したときに、Ｃ３Ａ量が７質量％以下、Ｃ３ＡとＣ４ＡＦの合計量が１６〜３２質量％、Ｃ３Ｓ量が１２質量％以上、Ｃ２Ｓ量が２５質量％以上であるセメントクリンカーを得る、セメントクリンカーの製造方法によって、製造することができる。
【００３０】
セメントクリンカー原料は、焼成によりセメントクリンカーを生成するものであり、少なくとも上記再利用原料を含有する。鉄鋼スラグとしては高炉スラグや製鋼スラグが、非鉄スラグとしては銅ガラミや鉄精鉱、亜鉛滓等が挙げられる。石炭灰は、石炭火力発電所等から発生するものであり、シンダアッシュ、フライアッシュ、クリンカアッシュおよびボトムアッシュが挙げられる。下水汚泥としては、汚泥単味のほか、これに生石灰を加えて乾粉化したものや、焼却残渣なども使用することができる。建設発生土としては、建設工事の施工に伴い副次的に発生する残土や泥土、廃土等が挙げられる。鋳物砂としては鋳造工場より発生するものを使用できる。
【００３１】
セメントクリンカー原料は、得られるセメントクリンカー１ｔに対して２２０ｋｇ以上の上記再利用原料を含むことが好ましく、２２０〜８００ｋｇ含むことがより好ましく、３００〜６００ｋｇ含むことが更に好ましい。再利用原料の量がセメントクリンカー１ｔ当り２２０ｋｇ未満である場合、上記のセメントクリンカーを得るためには粘土や珪石等の天然原料を多量に使用しなければならなくなるため、資源循環型社会への貢献度が減少する。
【００３２】
上記再利用原料は、特に、非鉄スラグ及び石炭灰を含むことが好ましい。この場合において、再利用原料は、得られるセメントクリンカー１ｔ当り非鉄スラグを５０ｋｇ以上、石炭灰を１２０ｋｇ以上含むことが好ましい。これにより、所定のセメントクリンカーを得るための廃棄物や副産物の使用量をより多くすることができるとともに、より安定した長期の強度発現性を得ることができる。
【００３３】
セメントクリンカー原料における各原料の種類及び混合比は、上記再利用原料に含まれるＣａＯ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３等の量を予め特定しておいた上で、焼成後のセメントクリンカーにおいてＣ３Ａ量が７質量％以下、Ｃ３ＡとＣ４ＡＦの合計量が１６〜３２質量％、Ｃ３Ｓ量が１２質量％以上、Ｃ２Ｓ量が２５質量％以上となるように、適宜決定される。鉱物組成の調整のため、セメントクリンカー原料には、上記再利用原料の他、石灰石及び珪石を含有させることが好ましい。
【００３４】
セメントクリンカー原料は、１３５０℃〜１４５０℃で焼成することが好ましい。焼成温度が１３５０℃未満であると、セメントクリンカー鉱物の生成が十分でなくなったり、水和活性が小さくなったりする傾向にあり、また、焼成後の遊離石灰量が多くなる場合がある。焼成温度が１４５０℃を超えると、セメントクリンカーの融液量が過剰となり、通常のロータリーキルンでは安定的に製造することができなくなる傾向にある。
【００３５】
セメントクリンカー原料は、上記の再利用原料以外の廃棄物や副産物をさらに含有していてもよい。具体的には、ボタ、汚泥、スラッジ、燃え殻、ばいじん、ダスト等が挙げられる。
【００３６】
コンクリート中の鉄筋腐食の原因となる塩素が原料に多く含まれる場合、水洗等の前処理や焼成の際に抽気処理が必要となる。したがって、セメントクリンカーの原料として使用する前記の再利用原料は、塩素含有量が０．１質量％以下であることが望ましい。
【００３７】
上記の製造方法においては、以上説明したような条件以外については、セメントクリンカーを製造する条件として一般に採用されている条件を特に制限されることなく採用することができる。例えば、上記条件を満足する単一のセメントクリンカーを生成させてもよいし、二種以上のセメントクリンカーの混合物を得ることも可能である。製造設備にも制限はなく、既存のセメント製造設備で製造することが可能である。
【００３８】
（セメント組成物）
本発明のセメント組成物は、上記セメントクリンカー及び石膏を含有する。このセメント組成物は、ボーグ式により算出したときに、Ｃ３Ａ量が７質量％以下、Ｃ３ＡとＣ４ＡＦの合計量が１６〜３２質量％、Ｃ３Ｓ量が１０質量％以上、Ｃ２Ｓ量が２５質量％以上である。産業廃棄物あるいは副産物の使用量を多くしながら、流動性および長期の強度発現の点で更に優れるものとするため、セメント組成物においては、Ｃ３Ａ量が１〜６質量％、Ｃ３Ａ及びＣ４ＡＦの合計量が２２〜２８質量％、Ｃ３Ｓ量が１５〜４０質量％、Ｃ２Ｓ量が３０〜６０質量％であることが好ましい。
【００３９】
セメント組成物の鉱物組成を求めるボーグ式は、以下のように表される。
Ｃ３Ｓ量＝（４．０７×ＣａＯ）―（７．６０×ＳｉＯ２）―（６．７２×Ａｌ２Ｏ３）―（１．４３×Ｆｅ２Ｏ３）―（２．８５×ＳＯ３）
Ｃ２Ｓ量＝（２．８７×ＳｉＯ２）―（０．７５４×Ｃ３Ｓ）
Ｃ３Ａ量＝（２．６５×Ａｌ２Ｏ３）―（１．６９×Ｆｅ２Ｏ３）
Ｃ４ＡＦ量＝３．０４×Ｆｅ２Ｏ３
【００４０】
式中の「ＣａＯ」、「ＳｉＯ２」、「Ａｌ２Ｏ３」、「Ｆｅ２Ｏ３」、「ＳＯ３」は、それぞれ、セメント組成物におけるＣａＯ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３及びＳＯ３のセメント組成物全体質量に対する含有割合（質量％）であり、ＪＩＳ  Ｒ  ５２０２「ポルトランドセメントの化学分析方法」により測定することができる。
【００４１】
あるいは、セメント組成物が、鉱物組成が既知のセメントクリンカーや石膏を用いて調製したものである場合には、上記のようにセメント組成物を直接化学分析する方法に代えて、用いる原料における鉱物組成及び原料の混合比から、セメント組成物における鉱物組成を質量バランスに基づいて計算により求めることもできる。
【００４２】
例えば、セメント組成物を、ボーグ式により算出したときに、Ｃ３Ａ量が７質量％以下、Ｃ３ＡとＣ４ＡＦの合計量が１６〜３２質量％、Ｃ３Ｓ量が１２質量％以上、Ｃ２Ｓ量が２５質量％以上であるセメントクリンカーを主成分として含有させる方法により、セメント組成物を上記特定の鉱物組成のものとすることができる。この場合、具体的には、セメント組成物が、上記特定組成のセメントクリンカーを、セメント組成物全体質量に対して９０〜９９質量％含有することが好ましい。
【００４３】
セメント組成物中の石膏は、ＪＩＳ  Ｒ  ９１５１「セメント用天然せっこう」に規定される品質を満足することが望ましい。石膏としては、具体的には、二水石膏、半水石膏、不溶性無水石膏等が好適に用いられる。セメント組成物におけるＳＯ３の含有割合は、主として石膏の含有量に依存するが、セメント組成物は、セメント組成物全体に対するＳＯ３の含有割合が１．５〜３．５質量％となるような割合で、石膏を含有することが好ましい。これにより、初期から長期の強度発現性がさらに向上する。石膏をセメント組成物中に添加する方法は、特に制限されるものではなく、例えば、セメントクリンカーの粉砕時に添加してもよいし、粉砕後のセメントクリンカーに添加して混合してもよい。
【００４４】
また、セメント組成物の粉末度に制限はないが、より安定した流動性および長期の強度発現性の点からは、ブレーン比表面積が３０００ｃｍ２／ｇ〜４０００ｃｍ２／ｇであることが望ましい。
【００４５】
本発明のセメント組成物は、セメントクリンカー及び石膏の他、さらに、高炉スラグ、フライアッシュ、石灰石微粉末から選ばれる少なくとも１種以上の無機粉末を含有していてもよい。これら無機粉末の含有量が多いほど流動性は良好となるため、強度発現性が著しく損なわれない範囲であれば、無機粉末の含有量は多い方が好ましい。
【００４６】
このように、産業廃棄物や副産物を多量に使用したセメント組成物でも、鉱物組成の調節、さらに好ましくはアルカリ量の制御により、流動性および長期の強度発現性に優れた実用性の高い性能を発現可能であることを見出した点が、本発明の新規かつ重要なポイントである。セメント組成物における鉱物組成を上記特定範囲とすることにより、本発明の目的を達成できる。
【００４７】
本発明のセメント組成物は、特に流動性に優れ、長期の強度発現性も良好であることから、高強度コンクリート、高流動コンクリート、水密コンクリート、暑中コンクリート、およびマスコンクリートとして好適である。これ以外に、一般の普通コンクリートや舗装コンクリート等にも使用することができる。更には、これをベースとした混合セメント、セメント系固化材、セルフレベリング材等の用途においても、好適に使用することができる。
【００４８】
（コンクリート組成物）
本発明のコンクリート組成物は、上記のセメント組成物とともに、骨材を含むものである。骨材は、ＪＩＳ  Ａ  ５３０８「レディーミクストコンクリート」（附属書１  レディーミクストコンクリート用骨材）に規定される骨材を使用することができる。具体的には、川砂、陸砂、海砂、砕砂、高炉スラグ細骨材等の細骨材や、砂利、砕石、高炉スラグ粗骨材等の粗骨材が、好適に用いられる。ここで、細骨材および粗骨材は、ＪＩＳ  Ａ  ０２０３「コンクリート用語」で定義されるものである。
【００４９】
コンクリート組成物は、混和剤を更に含有していてもよい。混和剤としては、分離低減剤、高性能ＡＥ減水剤、高性能減水剤、ＡＥ減水剤、凝結・硬化調節剤、防錆剤、収縮低減剤、水和熱低減剤等が挙げられる。本発明のコンクリート組成物が含有するセメント組成物は、リグニンスルホン酸塩系分散剤やポリカルボン酸系分散剤との相性に優れ、良好な流動性を発現できる。このため、本発明のコンクリート組成物に使用する減水剤は、これらを主成分とするＡＥ減水剤あるいは高性能ＡＥ減水剤であることが好ましい。
【実施例】
【００５０】
以下に，実施例および比較例を挙げて本発明の内容をより具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００５１】
（セメント組成物原料）
セメントクリンカーの原料として、天然原料である石灰石及び珪石と、産業廃棄物又は副産物として、鉄鋼スラグである高炉スラグ、石炭灰、及び非鉄スラグである鉄精鉱とを使用した。また、セメントクリンカー中のＳＯ３量とアルカリ量を調整するため、各種試薬を併用した。以下に使用したセメント組成物原料をまとめて記す。
（１）セメント組成物原料
（ｉ）セメントクリンカー原料
・石灰石（ＣａＯ含有量＝５５．２質量％）
・珪石（ＳｉＯ２含有量＝９６．１質量％）
・高炉スラグ（Ａｌ２Ｏ３含有量＝１４．６質量％）
・石炭灰（Ａｌ２Ｏ３含有量＝３０．８質量％）
・鉄精鉱（Ｆｅ２Ｏ３含有量＝７０．１質量％）
・硫酸カルシウム二水和物（試薬特級、関東化学（株）製）
・炭酸ナトリウム（試薬特級、和光純薬鉱業（株）製）
・炭酸カリウム（試薬特級、和光純薬鉱業（株）製）
（ｉｉ）石膏
・二水石膏：硫酸カルシウム二水和物（試薬特級、関東化学（株）製、ig.loss＝２０．５１質量％、ＣａＯ含有量＝３１．９２質量％、ＳＯ３含有量＝４５．５７質量％）
（２）減水剤
・ＡＥ減水剤（ＬＳ）：「ポゾリスＮｏ．７０」（商品名、（株）エヌエムビー製、固形分濃度５１％）
・高性能ＡＥ減水剤（ＰＣ）：「レオビルドＳＰ８ＳＢ」（商品名、（株）エヌエムビー製、固形分濃度１６％）
（３）練混ぜ水
・イオン交換水
【００５２】
（セメントクリンカーの製造）
上記原料を表１に示す調合量で混合したセメントクリンカー原料を、（株）モトヤマ製超高速昇温電気炉を用いて焼成して、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１１のセメントクリンカーを得た。Ｎｏ．１のセメントクリンカー原料は１５５０℃で３０分間、Ｎｏ．２〜１１のセメントクリンカー原料は１３５０℃で３０分間焼成した。得られたセメントクリンカーについて、ＪＩＳ  Ｒ５２０２「ポルトランドセメントの化学分析法」による化学分析及び上述のボーグ式に基づいて、鉱物組成（Ｃ３Ｓ量、Ｃ２Ｓ量、Ｃ３Ａ量及びＣ４ＡＦ量）を求めた。また、アルカリ量及び水溶性アルカリ量も測定した。結果を表２に示す。なお、表１及び２中、Ｎｏ．２〜Ｎｏ．７のセメントクリンカーは本発明の実施形態に係るものであり、Ｎｏ．１のセメントクリンカーは、比較のための普通セメントクリンカーに相当するものである。
【００５３】
【表１】
2006347814.tif 000002
【００５４】
【表２】
2006347814.tif 000003
【００５５】
図１は、Ｎｏ．６のセメントクリンカーと同様のセメントクリンカー原料を、１２５０℃から１４５０℃までのいくつかの焼成温度で３０分間焼成した場合について、得られたセメントクリンカーの粉末Ｘ線回折パターンを示すグラフである。図１には、ＪＣＡＳ  Ｉ−０１「遊離酸化カルシウムの定量方法」により測定される、セメントクリンカー中の遊離石灰（ｆ．ＣａＯ）量も併記した。
【００５６】
図１に示されるように、焼成温度が１３００℃以下では、Ｃ２Ｓに帰属する２θ＝３１．０°のピークが１３５０℃以上の場合よりも大きく、また、未反応の遊離石灰量も３．０質量％以上と多い。このことから、焼成温度が１３００℃以下ではＣ２Ｓ＋ＣａＯ→Ｃ３Ｓの反応が十分に進行していないことがわかる。
【００５７】
（セメント組成物の調製）
上記で得たＮｏ１〜１１の各セメントクリンカーを、ブレーン比表面積で３２００±１００ｃｍ２／ｇとなるまで粉砕した後、セメント組成物におけるＳＯ３量が２．０質量％となるように、表３に示す調合割合で二水石膏と混合して、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１１のセメント組成物を調製した。表３には、用いたセメントクリンカーの鉱物組成及び調合割合から算出したセメント組成物の鉱物組成を示す。なお、表３中、Ｎｏ．２〜Ｎｏ．７のセメント組成物が、本発明の実施形態に係るものである。また、比較のため、Ｎｏ．１のセメントクリンカーを、二水石膏および高炉スラグ微粉末と混合して、高炉セメントＢ種に相当するセメント組成物を調製した（表２のセメント組成物Ｎｏ．１２）。
【００５８】
【表３】
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【００５９】
（ＬＳ添加系セメントペーストの調製）
Ｎｏ．３、Ｎｏ．４のセメント組成物１００質量％に対し、それぞれ水４５質量％および減水剤０．２５質量％を加え、ハンドミキサーで９０秒間練り混ぜることにより、実施例１及び２のセメントペーストを調製した。セメントペーストの調製は、２０℃に設定した恒温室内で行った。また、Ｎｏ．１２、Ｎｏ．８及びＮｏ．９のセメント組成物を用いて、上記と同様にして比較例１、２及び３のセメントペーストを調製した。
【００６０】
（ＰＣ添加系セメントペーストの調製）
Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、Ｎｏ．４、Ｎｏ．５及びＮｏ．６のセメント組成物１００質量％に対し、それぞれ水３５質量％および減水剤０．９０質量％を加え、ハイシアーミキサー（ＳＩＬＶＥＲＳＯＮ社製）で２分間練り混ぜることにより、実施例３、４、５、６及び７のセメントペーストを調製した。セメントペーストの調製は、２０℃に設定した恒温室内で行った。また、Ｎｏ．１、Ｎｏ．８、Ｎｏ．９、Ｎｏ．１０及びＮｏ．１１のセメント組成物を用いて、上記と同様にして比較例４、５、６、７及び８のセメントペーストを調製した。
【００６１】
（セメントペーストの流動性評価）
上記方法で調製したセメントペーストをＲ．Ｈ．９０％以上の湿空環境で静置し、ＬＳ添加系について注水後４分および６０分、ＰＣ添加系については注水後９分および６０分のそれぞれの時点での流動性を評価した。プレート間のギャップを０．５ｍｍとしたパラレルプレート型回転粘度計（Ｈａａｋｅ社製「Ｒｏｔｏｖｉｓｃｏ  ＲＶ１」（商品名））を用い、せん断速度を０ｓ−１〜５００ｓ−１まで２分間かけて加速した後に０ｓ−１まで２分間かけて減速する周期的せん断試験を行ったときのせん断応力を測定した。そして、ＬＳ添加系の場合には加速時の２００〜３００ｓ−１、ＰＣ添加系の場合には加速時の１００〜４００ｓ−１におけるせん断応力変化を直線近似し、その直線のせん断応力軸の切片に相当するビンガム降伏値を求め、これを流動性の指標とした。
【００６２】
ＬＳ添加系セメントペーストは普通コンクリートを想定したものである。普通コンクリートの場合、通常、普通セメントや高炉セメントＢ種が使用される。したがって、ＬＳ添加系セメントコンクリートは、高炉セメントＢ種に相当するセメント組成物Ｎｏ．１２を用いた比較例１のセメント組成物を比較の対象とした。また、ＰＣ添加系セメントペーストは高強度コンクリートを想定したものである。高強度コンクリートの場合、通常、普通セメントが使用される。したがって、ＰＣ添加系セメントペーストは、普通セメントに相当するセメント組成物Ｎｏ．１を用いた比較例４のセメントペーストを比較の対象とした。
【００６３】
ＬＳ添加系セメントペーストの評価結果を表４に示す。表中の降伏値は、値が小さいほど流動性が良いことを示している。なお、比較例３は６０分において試料が流動せず、降伏値を求めることができなかった。
【００６４】
【表４】
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【００６５】
本発明の実施形態に係るセメント組成物である実施例１及び２は、高炉セメントＢ種に相当する比較例１よりも練混ぜ直後（４分後）の流動性が良好であり、また、流動性の経時変化（（Ｂ）−（Ａ））も小さかった。Ｃ３Ａ量が７質量％を超えるセメント組成物を用いた比較例２及び３は、実施例１及び２よりも練混ぜ直後（４分後）の流動性がやや低下しており、また、流動性の経時変化が著しく大きくなった。なお、実施例２は、Ｃ３Ａ及びＣ４ＡＦの合計量が比較例２及び３より大きいセメント組成物Ｎｏ．４を用いたにも関わらず、練混ぜ直後（４分後）の流動性や流動性の経時変化が良好である。このことより、Ｃ３Ａ及びＣ４ＡＦの合計量が大きかったとしても、Ｃ３Ａ量を７質量％以下とすることにより、良好な流動性が得られるといえる。
【００６６】
【表５】
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【００６７】
ＰＣ添加系セメントペーストの評価結果を表５に示す。本発明の実施形態に係るセメント組成物である実施例３〜７は、普通セメントに相当するセメント組成物Ｎｏ．１を用いた比較例４よりも練混ぜ直後（９分後）の流動性が良好であった。また、流動性の経時変化（（Ｂ）−（Ａ））も、比較例４より小さく、ＰＣ添加系セメントペーストとしては実用上問題のないレベルであった。これに対し、Ｃ３Ａ量が７質量％を超える比較例５〜８は、練混ぜ直後（９分後）の降伏値が非常に大きく問題である。
【００６８】
以上の結果から、産業廃棄物や副産物を多量に使用し、Ｃ３ＡとＣ４ＡＦの合計量が大きいセメント組成物であっても、Ｃ３Ａ量を７質量％以下に制御することにより、汎用的なセメントと同等以上の流動性を得られることが確認された。
【００６９】
（セメントペーストの長期強度発現性）
Ｎｏ．２、３、５、６及び７のセメント組成物１００質量％に対し、それぞれ水４０質量％を加え、ハンドミキサーにて９０秒間練り混ぜることにより、実施例８、９、１０、１１及び１２のセメントペーストを調製した。このセメントペーストを１×１×６ｃｍの型枠に流し入れ、Ｒ．Ｈ．９０％以上の湿空環境で１日間静置した。その後、脱型して水中養生を行い、材齢２８日および９１日における硬化体の圧縮強さを２０℃に設定した恒温室内で測定した。また、Ｎｏ．１２のセメント組成物を用いて、上記と同様にして比較例９のセメントペーストを調製し、これについて上記と同様に材齢２８日および９１日における圧縮強さを測定した。
【００７０】
圧縮強さの測定結果を表５に示す。本発明の実施形態に係るセメント組成物である実施例８〜１２は、その硬化体が、９１日の長期間にわたり、高炉セメントＢ種に相当する比較例９と同等以上の圧縮強さを示した。すなわち、産業廃棄物や副産物を多量に使用し、Ｃ３ＡとＣ４ＡＦの合計量が大きいセメント組成物であっても、Ｃ３Ａ量、Ｃ３Ｓ量およびＣ２Ｓ量を特定範囲内に制御することにより、汎用的なセメントと同等以上の長期の強度発現性が得られることが確認された。
【００７１】
【表６】
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【００７２】
以上の結果から示されるように、産業廃棄物や副産物を多量に使用し、Ｃ３ＡとＣ４ＡＦの合計量が多いセメント組成物であっても、Ｃ３Ａ量やＣ３Ｓ量、Ｃ２Ｓ量を特定範囲に制御することにより、汎用的なセメントと同等以上の流動性および強度発現性を兼ね備えることができる。これにより、流動性および長期強度を改善するための混和材を使用しなくとも、汎用的なセメントの代替として、産業廃棄物や副産物を多量に使用したセメント組成物を好適に使用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】セメントクリンカーの粉末Ｘ線回折パターンを示すグラフである。
【図１】
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