(57)【要約】【課題】効果的にかつ簡便に硬化促進及び硬化制御を行うことができるジオポリマー組成物を提供することを目的とする。【解決手段】珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の珪酸塩の水溶液と、電気伝導率差０．４ｍＳ／ｃｍ以上であるポゾラン活性物質と、炭素数３以下のアルコールとを含むことを特徴とするジオポリマー組成物。前記珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の珪酸塩の水溶液１００質量部に対し、前記炭素数３以下のアルコールが０．０５〜５．０質量部含まれていることが好ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の珪酸塩の水溶液と、
電気伝導率差０．４ｍＳ／ｃｍ以上であるポゾラン活性物質と、
炭素数３以下のアルコールとを含むことを特徴とするジオポリマー組成物。
【請求項２】
前記珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の珪酸塩の水溶液１００質量部に対し、前記炭素数３以下のアルコールが０．０５〜５．０質量部含まれている請求項１に記載のジオポリマー組成物。
【請求項３】
前記炭素数３以下のアルコールと、前記珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の珪酸塩の水溶液との混合物と、前記ポゾラン活性物質との混合物の形態である請求項１又は２に記載のジオポリマー組成物。
【請求項４】
珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の珪酸塩の水溶液の下記数式で表される数値ｎが０．５〜１．１である請求項１〜３のいずれか１つに記載のジオポリマー組成物。
ｎ＝Ｓ／Ｍ
（Ｓ：水溶液に含まれるケイ素のモル数、Ｍ：水溶液に含まれるアルカリ金属のモル数）
【請求項５】
前記ポゾラン活性物質が、アルミニウムを含む化合物であり、該アルミニウムの前記ジオポリマー組成物の硬化物に含まれる比率が、該硬化物の乾燥固形分に対し、Ａｌ2Ｏ3換算で２０〜４０質量％である請求項１〜４のいずれか１つに記載のジオポリマー組成物。
【請求項６】
前記ポゾラン活性物質が、メタカオリンである請求項１〜５のいずれか１つに記載のジオポリマー組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ジオポリマー組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から大量に生産されているポルトランドセメントは、その主原料は石灰石であることから、焼成して酸化カルシウムに分解される際、二酸化炭素を排出する。このため、ポルトランドセメントを使用しないコンクリートを製造する技術として、ジオポリマー法が注目されている。
ジオポリマー法は、ケイ酸の縮重合体をバインダとして利用し、粉末同士を接合する技術である。このジオポリマー法に利用されるジオポリマー組成物としては、フィラー、アルカリ溶液及び骨材で構成されるものが提案されている（例えば、特許文献１）。フィラーは、ケイ素とアルミニウムとを豊富に含有するものが使用され、例えば、カオリン、粘土、フライアッシュ、シリカフューム、高炉スラグ、もみ殻灰等のポゾラン活性物質と称されるものが挙げられる。アルカリ溶液としては、水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムと、水ガラス（Ｎａ2ＳｉＯ3）またはケイ酸カリウム（Ｋ2ＳｉＯ3）との水溶液が一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２３９４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、これまでにジオポリマー組成物に対して、有効に機能する硬化促進剤はなかった。
例えば、水ガラス等の活性を上げる（モル比を下げる）、ポゾラン活性物質の活性を上げる（ｍＳ／ｃｍ）、ポゾラン活性物質の量を増やすなどにより、硬化時間を早めることができる。しかし、同じ配合でも、季節（温度）によって硬化時間が変動するため、外部の温度影響を受ける環境では１年を通して同じ組成の組成物を使うことができない。また、ポゾラン活性物質の量を増やすと粘度が上がるため、作業性に悪影響を及ぼすことがある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、効果的にかつ簡便に硬化促進及び硬化制御を行うことができるジオポリマー組成物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】
【０００６】
本願は以下の発明を含む。
（１）珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の珪酸塩の水溶液と、
電気伝導率差０．４ｍＳ／ｃｍ以上であるポゾラン活性物質と、
炭素数３以下のアルコールとを含むことを特徴とするジオポリマー組成物。
（２）前記珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の珪酸塩の水溶液１００質量部に対し、前記炭素数３以下のアルコールが０．０５〜５．０質量部含まれている上記ジオポリマー組成物。
（３）前記炭素数３以下のアルコールと、前記珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の珪酸塩の水溶液との混合物と、前記ポゾラン活性物質との混合物の形態である上記ジオポリマー組成物。
（４）珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の珪酸塩の水溶液の下記数式で表される数値ｎが０．５〜１．１である上記ジオポリマー組成物。
ｎ＝Ｓ／Ｍ
（Ｓ：水溶液に含まれるケイ素のモル数、Ｍ：水溶液に含まれるアルカリ金属のモル数）
（５）前記ポゾラン活性物質が、アルミニウムを含む化合物であり、該アルミニウムの前記ジオポリマー組成物の硬化物に含まれる比率が、該硬化物の乾燥固形分に対し、Ａｌ2Ｏ3換算でｄ２０〜４０質量％である上記ジオポリマー組成物。
（６）前記ポゾラン活性物質が、メタカオリンである上記ジオポリマー組成物。
【発明の効果】
【０００７】
本開示によれば、効果的にかつ簡便に硬化促進及び硬化制御を行うことができるジオポリマー組成物を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本開示のジオポリマー組成物は、
珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の珪酸塩の水溶液と、
電気伝導率差０．４ｍＳ／ｃｍ以上であるポゾラン活性物質と、
炭素数３以下のアルコールとを含む。以下、珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の珪酸塩の水溶液とポゾラン活性物質とを含む組成物を、ジオポリマーという場合がある。
【０００９】
このような構成、つまり、ジオポリマーに、炭素数３以下のアルコールを少量加えることのみで珪酸塩水溶液の界面張力が低下し、ポゾラン活性物質への浸透が容易になることによって、ジオポリマーの硬化を効果的に促進させることができると考えられる。例えば、気温の変動に対応するために、夏の屋外気温を想定したジオポリマーの配合を基本として、硬化が遅延する冬場の屋外での使用の際に、炭素数３以下のアルコールを添加することにより、同じ主要材料組成を使用し得る環境温度の範囲を広げることができ、ひいては、一年を通して、同じ主要材料組成を用いることが可能となる。
【００１０】
（珪酸塩の水溶液）
珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の珪酸塩は、ジオポリマー組成物において、通常、水溶液の形態で含有される。
珪酸塩の水溶液は、珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムであり、ジオポリマー組成物において、これら珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムは、少なくとも１種が含有されていればよく、２種又は３種が含有されているものでもよい。
ジオポリマー組成物におけるこれらの珪酸塩は、Ｍ2Ｏ（Ｍはナトリウム、カリウム及びリチウム）に換算して、２０〜５０質量％の濃度の水溶液の形態で存在しているものが好ましく、２５〜３５質量％の濃度の水溶液がより好ましい。
言い換えると、ジオポリマー組成物における珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の珪酸塩は、その合計含有率が、ジオポリマー組成物から得られる硬化物の乾燥固形分に対し、Ｍ2Ｏ（Ｍはナトリウム、カリウム及びリチウム）に換算して、５〜３０質量％であることが好ましく、１０〜３０質量％であることがより好ましい。
【００１１】
珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の珪酸塩の水溶液は、下記数式で表される数値ｎが０．４〜１．１であるものが好ましく、０．５〜１．１であるものがより好ましく、０．５〜１．０であるものがさらに好ましい。
ｎ＝Ｓ／Ｍ
（式中、Ｓは水溶液に含まれるケイ素のモル数を表し、Ｍは水溶液に含まれるアルカリ金属のモル数を表す。）
【００１２】
珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の珪酸塩の水溶液は、例えば、コンクリート構造物の表面に塗布及び／又は含浸されたときに、コンクリート中の水酸化カルシウムとＣ-Ｓ-Ｈゲルを生成することができるため、コンクリート構造物への接着強度を強固にすることができる。
【００１３】
（ポゾラン活性物質）
ポゾラン活性物質は、水との反応により硬化し得る物質であり、そのために、酸化シリコン、酸化カルシウム、水酸化カルシウム及び／又は水酸化アルミニウム等が含まれている。ポゾラン活性物質としては、例えば、シリカダスト、珪藻土、タルク、アエロジル、ホワイトカーボン、カオリン、メタカオリン、活性白土、酸性白土等が挙げられる。なかでも、メタカオリンが好ましい。ポゾラン活性物質は、シリカ成分をＳｉＯ2換算した場合のシリカ成分含有量が、ポゾラン活性物質の全質量に対して４０質量％以上であるもの又はアルミナ成分をＡｌ2Ｏ3換算した場合のアルミナ成分含有量が３０質量％以上であるものが好ましい。
ポゾラン活性物質は、通常、塊又は粉末状であるが、塊状又は粉末状のものをそのまま用いてもよい。また、活性化させるために、溶射処理、粉砕分級、機械的エネルギーの作用等の方法を用いて、その状態を変化させたものを用いてもよい。
【００１４】
溶射処理する方法としては、セラミックコーティングに適用される溶射技術が応用される。溶射技術は、例えば、プラズマ溶射法、高エネルギーガス溶射法、アーク溶射法等が挙げられる。好ましくは、材料粉末を２０００〜１６０００℃の温度で溶融し、３０〜８００ｍ／秒の速度で噴霧し、比表面積が０．１〜１００ｍ2／ｇの粉末とすることが好ましい。微細で比表面積の大きいものは、反応性が高く、また吸着能が大きいため金属に対する安定化効果を発揮することができるからである。例えば、その粒径は、５０μｍ以下が挙げられ、好ましくは２０μｍ以下、特に好ましくは５ｎｍ〜１０μｍである。
粉砕分級する方法としては公知の任意の方法が採用できる。粉砕は、ジェットミル、ロールミル、ボールミル等を用いる方法が挙げられる。また、分級は、篩、比重、風力、湿式沈降等を用いる方法が挙げられる。これらの手段は任意に併用することができる。
機械的エネルギーを作用させる方法としては、ボール媒体ミル、媒体撹拌型ミル、ローラミル等を用いる方法が挙げられる。作用させる機械的エネルギーは、適度に活性化しつつ、負荷を最小限とするために、０．５ｋｗｈ／ｋｇ〜３０ｋｗｈ／ｋｇが好ましい。
【００１５】
ポゾラン活性物質は、電気伝導率差０．４ｍＳ／ｃｍ以上であるものが好ましく、０．５ｍＳ／ｃｍ以上、０．６ｍＳ／ｃｍ以上又は０．７ｍＳ／ｃｍ以上であるものがより好ましく、０．８ｍＳ／ｃｍ以上、１．０ｍＳ／ｃｍ以上、１．２ｍＳ／ｃｍ以上であるものがさらに好ましい。このような電気伝導率差とすることにより、珪酸塩水溶液との反応性を十分に確保することができる。電気伝導率差は、アルカリ物質により誘発されるポゾラン活性物質の反応性に関連する指標であり、ポゾラン活性物質について『Ｃｅｍｅｎｔ  Ｃｏｎｃｒｅｔｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，  Ｖｏｌ．１９，  ｐｐ．６３−６８，  １９８９』に従い、４０±１℃の条件で、Ｃａ（ＯＨ）2飽和水溶液２００ｍｌの電気伝導率を測定し、続いてメタカオリン５ｇを投入し、攪拌して２分後の電気伝導率を測定し、投入前の電気伝導率との差を意味する。
【００１６】
ポゾラン活性物質は、それに由来するアルミニウムの含有率が、硬化物の乾燥固形分に対し、Ａｌ2Ｏ3に換算して、２０〜４０質量％となるように配合されることが好ましく、２５〜３５質量％がより好ましい。
【００１７】
（アルコール）
炭素数３以下のアルコールとしては、１価のアルコール及び多価アルコールのいずれをも含む。炭素数３以下のアルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、ｎ−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール；エチレングリコール、プロピレングリコール；グリセリン等が挙げられる。なかでも、１価のアルコールが好ましく、エタノールがより好ましい。
炭素数３以下のアルコールは、珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の珪酸塩の水溶液１００質量部に対し、０．０５〜５．０質量部含まれていることが好ましく、０．１〜５質量部含まれていることがより好ましい。
本願においては、珪酸塩の水溶液は、珪酸塩の３０質量％の濃度換算の水溶液を基準として表している。
【００１８】
炭素数３以下のアルコールが、ジオポリマーに添加される場合、予め、珪酸ナトリウム、珪酸カリウム及び珪酸リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の珪酸塩の水溶液と混合して、これらの混合物とし、その後、この混合物を、ポゾラン活性物質と混合することにより得られる形態とすることが好ましい。通常、これら珪酸塩は、水溶液の形態で用いられることから、これにより、硬化促進に寄与する炭素数３以下のアルコールを、ジオポリマーに対して均一に分散させることができ、ジオポリマー組成物において、均一な硬化を実現することができる。
【００１９】
（その他の成分）
ジオポリマー組成物は、上記成分に加えて、当該分野で公知の添加剤を含んでいてもよい。例えば、フィラー、改質剤、分散剤、硬化時間調整剤、顔料、酸化防止剤、ポリマーエマルション等が挙げられる。これらは特に限定されず、公知のものを利用することができる。フィラーとしては、一般に充填剤として使用されるもののいずれであってもよい。例えば、カーボン、セルロース、鉱物質微粉末、合成された無機質結晶粉末などが挙げられる。改質剤としては珪酸塩水溶液と反応することができる各種金属塩が挙げられ、例えば、軽焼酸化マグネシウム、亜鉛華等が挙げられる。ポリマーエマルションとしては、アクリルゴム、スチレンブタジエンゴム又はこれらの混合物等が挙げられる。これらの添加剤は、ジオポリマー組成物の意図する作用を損なわない範囲において、任意の含有量で用いることができる。特に、ポリマーエマルションは、ジオポリマー組成物の乾燥固形分の全質量に対して、ポリマーの固形分が３〜１０質量％となるように配合されていることが好ましい。これにより、ジオポリマー組成物の流動性を向上し、硬化物の接着強度を向上し、硬化物の乾燥収縮を抑制することができる。
【００２０】
本開示のジオポリマー組成物は、通常コンクリートと同様の使用が可能である。また、珪酸塩水溶液が既設のコンクリートと強固に接着するという特性を活かし、既設のコンクリート構造物等の補修等に、好適に用いることができる。
【実施例】
【００２１】
以下、本願のジオポリマー組成物を、実施例を挙げてより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２２】
（実施例１）
ＪＩＳ Ｋ １４０８で規定する３号珪酸ナトリウム水溶液（ＳｉＯ2換算で２９質量％のＳｉＯ2成分を含む）１００ｇと、
３０％水酸化ナトリウム水溶液５０ｇ（ｎ＝０．７）と、
ラテックス（日本エイアンドエル株式会社製  商品名：ＳＲ−１５１）１５ｇとを２４時間攪拌して珪酸ナトリウム水溶液を得た。
三菱重工業社製ウルトラファインミル（ジルコニアボール直径１０ｍｍ使用、ボール充填率８５％）にて、３．３ＫＷ／ｋｇのエネルギーで、３時間処理した焼成カオリン（ＢＡＳＦ社製  商品名：ＳＰ−３３  電気伝導率差１．１ｍＳ／ｃｍ）１３０ｇと混合し、エタノール（試薬特級）４．５ｇを加えてさらに混合することにより、ジオポリマー組成物を調製した。
得られたジオポリマーの不動化までの時間は６０分であった。
【００２３】
（実施例２）
実施例１において、珪酸ナトリウム水溶液を調整した後に、エタノール０．３ｇを加えて攪拌し、その後、焼成カオリンを加えた以外は、実施例１と同様にしてジオポリマー組成物を調製した。
得られたジオポリマーの不動化までの時間は７５分であった。
【００２４】
（比較例１）
実施例１において、エタノールを加えなかった以外は、実施例１と同様にしてジオポリマー組成物を調製した。
得られたジオポリマーの不動化までの時間は１２０分であった。
【００２５】
実施例及び比較例における不動化は、倒しテストにより測定した。
つまり、得られたジオポリマー組成物５０ｇを、直径３５ｍｍのガラス瓶に入れる。５分間静置した後、ガラス瓶を倒し、３秒間液面が動かなかった時点を不動化時間とした。
【００２６】
このように、本開示のジオポリマー組成物は、炭素数３以下のアルコールの添加及びその方法により、その硬化時間を調整することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本開示のジオポリマー組成物によれば、種々の被補修部位に対して、作業地域及び作業温度等にかかわらず、どのような環境下においても、均一な組成で用いることができる。