(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメントクリンカー細骨材と砂の合計を１００質量％として、セメントクリンカー細骨材を５０〜１００質量％含む混合砂を、粘結材１００質量部に対し１００〜４００質量部含有する、結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。
【請求項２】
前記セメントクリンカー細骨材の平均粒子径が５０〜２００μｍである、請求項１に記載の結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。
【請求項３】
前記砂が、珪砂、オリビン砂、および人工砂から選ばれる１種以上である、請求項１または２に記載の結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。
【請求項４】
前記結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物が鋳物砂である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。
【請求項５】
前記粘結材がセメントである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。
【請求項６】
前記粘結材が、速硬セメントとセメントクリンカー粉末の合計を１００質量％として、速硬セメントを１０〜８０質量％含む粘結材である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。
【請求項７】
前記セメントクリンカー粉末のブレーン比表面積が、２０００〜６０００ｃｍ２／ｇである、請求項６のいずれか１項に記載の結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結合材噴射方式付加製造装置に用いるセメント組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳造は、溶融した金属を鋳型に注入して鋳物を作製する伝統的な金属加工法である。この鋳造に用いる自硬性鋳型は、使用する粘結材に応じて有機系と無機系があり、このうち無機系は、主に水ガラス系とセメント系がある。ただし、セメント系自硬性鋳型は、鋳込み温度によっては、含まれる石膏が熱分解してガスが発生し強度が低下する場合がある。また、この鋳型の作製では、模型や木型の試作が前工程として必須であるが、この前工程には時間とコストがかかる。
そこで、強度が高く、また、該前工程を経ることなく、鋳型を作製できる手段が望まれる。
【０００３】
ところで、最近、付加製造装置が、迅速かつ精密な造形手段として注目されている。この付加製造装置のうち、例えば、粉末積層成形装置は、粉末を平面の上に敷き詰め、該粉末に水性バインダを噴射して粉末を固化し、該固化物を垂直方向に順次積層して造形する装置である。この装置の特徴は、３次元ＣＡＤ等で作成した立体造形のデータを多数の水平面に分割し、これらの水平面の形状を順次積層して、成形体を作製する点にある。
そこで、前記付加製造装置を用いて鋳型を作製できれば、前記の前工程は不要になるから、作業時間とコストの削減に資することが期待される。
【０００４】
特許文献１は、結合材噴射法（粉末積層成形法）に適した粉末材料を提案している。該材料は、珪砂、オリビン砂、人工砂等の耐火砂に速硬性セメントを粘結材として所定の量配合して混練したもので、これに水性バインダを加えて固化・積層して成形体を作製する。
しかし、結合材噴射法で作製した成形体は、空隙が多くなり易いため、強度が低く破損し易い。
【０００５】
また、特許文献２に記載の造形用材料は、骨材と当該骨材を結着させるバインダーの粉状前駆体とが混合された、粉末固着積層法における造形用材料であって、前記骨材は７０重量％以上であり、前記粉状前駆体はセメント等である。しかし、セメントは石膏を含むため、前記造形用材料はガスの発生を抑制できないから、鋳物製品の美観への影響が懸念されるところ、該文献は美観について記載がない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−５１０１０号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１０８０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明は、結合材噴射方式付加製造装置に用いるためのセメント組成物であって、これまでよりも高い強度発現性を有するセメント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】
【０００８】
本発明者は、前記課題を解決するために鋭意検討した結果、セメントクリンカーを砂の一部または全量と置き換えた混合砂を含むセメント組成物は、付加製造装置を用いた造形が可能で、かつ、これまでより高い強度発現性を有することを見い出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、下記の構成を有する結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物である。
【０００９】
［１］セメントクリンカー細骨材と砂の合計を１００質量％として、セメントクリンカー細骨材を５０〜１００質量％含む混合砂を、粘結材１００質量部に対し１００〜４００質量部含有する、結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。
［２］前記セメントクリンカー細骨材の平均粒子径が５０〜２００μｍである、前記［１］に記載の結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。
［３］前記砂が、珪砂、オリビン砂、および人工砂から選ばれる１種以上である、前記［１］または［２］に記載の結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。
［４］前記結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物が鋳物砂である、前記［１］〜［３］のいずれかに記載の結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。
［５］前記粘結材がセメントである、前記［１］〜［４］のいずれかに記載の結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。
［６］前記粘結材が、速硬セメントとセメントクリンカー粉末の合計を１００質量％として、速硬セメントを１０〜８０質量％含む粘結材である、前記［１］〜［４］のいずれかに記載の結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。
［７］前記セメントクリンカー粉末のブレーン比表面積が、２０００〜６０００ｃｍ２／ｇである、前記［６］のいずれかに記載の結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のセメント組成物は、結合材噴射方式付加製造装置を用いて造形した場合、強度がより高いので破損することが少ない。また、高耐熱性であり、鋳造に用いた場合、鋳造時のガスの発生が少なく、表面が平滑で美観性が高い鋳物を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物を用いて作製した、鋳型の一例を示す写真である。
【図２】実施例のセメント組成物を用いて作製した鋳型を用いて、鋳造した鋳物の一例を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、前記のとおり、セメントクリンカー細骨材と砂の合計を１００質量％として、セメントクリンカー細骨材を５０〜１００質量％含む混合砂を、粘結材１００質量部に対し１００〜４００質量部含有する、結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物等である。
以下、本発明について、混合砂および粘結材等に分けて、詳細に説明する。
【００１３】
１．混合砂
該混合砂は、セメントクリンカー細骨材単独、またはセメントクリンカー細骨材と砂を含む。次に、セメントクリンカー細骨材と砂について説明する。
（１）セメントクリンカー細骨材
該セメントクリンカー細骨材のクリンカーは、普通ポルトランドセメントクリンカー、早強ポルトランドセメントクリンカー、エコセメントクリンカー、アリナイトセメントクリンカー、アーウィンクリンカー、カルシウムフルオロアルミネートクリンカー、およびモノカルシウムアルミネートクリンカーから選ばれる１種以上が挙げられ、これらの中でも、強度の観点から普通ポルトランドセメントクリンカー、早強ポルトランドセメントクリンカー、アーウィンクリンカー、カルシウムフルオロアルミネートクリンカー、またはモノカルシウムアルミネートクリンカーが好ましい。
また、前記混合砂中のセメントクリンカー細骨材の含有率は、セメントクリンカー細骨材と砂の合計を１００質量％として、５０〜１００質量％である。該値が該範囲内であれば、強度発現性が高い。なお、該値は、好ましくは７０〜１００質量％、より好ましくは８０〜９０質量％である。
また、該セメントクリンカー細骨材の平均粒子径（積算分布で５０体積％となる粒子径）は５０〜２００μｍである。該値が該範囲内にあれば、セメント組成物の強度発現性と細骨材としての強度は充分に高い。なお、該値は、より好ましくは６０〜１８０μｍ、さらに好ましくは７０〜１５０μｍである。
【００１４】
（２）砂
該砂は、耐火砂であれば、特に制限されず、珪砂、オリビン砂、および人工砂等から選ばれる１種以上が挙げられる。
該混合砂の配合量は、前記粘結材１００質量部に対し、１００〜４００質量部である。該値が該範囲であれば、耐火性と強度発現性を確保できる。なお、該配合量は、前記粘結材１００質量部に対し、好ましくは１５０〜３５０質量部、より好ましくは２００〜３００質量部、さらに好ましくは２００〜２５０質量部である。
【００１５】
２．粘結材
該粘結材は、セメント単独、または、速硬セメントとセメントクリンカー粉末の合計を１００質量％として、速硬セメントを１０〜８０質量％含む粘結材である。
（１）セメント
該セメントは、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、白色ポルトランドセメント、およびエコセメント等から選ばれる１種以上が挙げられる。
【００１６】
（２）速硬セメントとセメントクリンカー粉末を含む粘結材
また、前記速硬セメントとセメントクリンカー粉末を含む粘結材は、石膏をほとんど含まないため、鋳造のガスの発生を抑制でき、鋳物の美観が保たれる。
本発明において該速硬セメントは、速硬セメントのほかに、いわゆる超速硬セメントも含む概念であり、市販の速硬セメントや超速硬セメントが使用できる。該セメントとしては、例えば、スーパージェットセメント（登録商標、小野田ケミコ社製）、ジェットセメント（登録商標、住友大阪セメント社製）、およびデンカスーパーセメント（デンカ社製）から選ばれる１種以上が挙げられる。
前記粘結材中の速硬セメントの含有率は、速硬セメントとセメントクリンカー粉末の合計を１００質量％として、１０〜８０質量％である。該値が、該範囲内であれば、迅速な造形のための速硬性と取扱い可能な強度を確保できる。なお、該値は、好ましくは２０〜７０質量％、より好ましくは３０〜６０質量％である。
【００１７】
該セメントクリンカー粉末のクリンカーは、普通ポルトランドセメントクリンカー、早強ポルトランドセメントクリンカー、中庸熱ポルトランドセメントクリンカー、低熱ポルトランドセメントクリンカー、白色ポルトランドセメントクリンカー、エコセメントクリンカー、アリナイトセメントクリンカー、アーウィンクリンカー、カルシウムフルオロアルミネートクリンカー、およびモノカルシウムアルミネートクリンカーから選ばれる１種以上が挙げられる。これらの中でも、強度の観点から、普通ポルトランドセメントクリンカー、早強ポルトランドセメントクリンカー、アーウィンクリンカー、カルシウムフルオロアルミネートクリンカー、またはモノカルシウムアルミネートクリンカーが好ましい。
また、前記粘結材中のセメントクリンカー粉末の含有率は、速硬セメントとセメントクリンカー粉末の合計を１００質量％として、２０〜９０質量％である。該値が、該範囲内であれば、強度発現性が高い。なお、該値は、好ましくは３０〜７０質量％、より好ましくは４０〜７０質量％である。
また、該セメントクリンカー粉末のブレーン比表面積は、好ましくは２０００〜６０００ｃｍ２／ｇである。該値が該範囲内にあれば、セメント組成物の強度発現性は充分に高い。なお、該値は、より好ましくは３０００〜５０００ｃｍ２／ｇ、さらに好ましくは４０００〜５０００ｃｍ２／ｇである。
なお、前記粘結材は、必須成分である速硬セメントとセメントクリンカー粉末のほかに、強度発現性の調整材等として、高炉スラグ、フライアッシュ、シリカフューム、および石灰石粉末等の任意成分を含んでもよい。
【００１８】
３．その他
本発明の結合材噴射方式付加製造装置用セメント組成物を造形に用いる場合、水／粘結材（質量比）は、強度の観点から、好ましくは０．０１〜０．１、より好ましくは０．０２〜０．０９、さらに好ましくは０．０３〜０．０８である。
また、成形体の養生方法は、気中養生、気中養生後に続けて水中養生する方法、または、表面含浸剤養生等がある。前記３種類の養生温度は、特に制限されないが、養生のし易さから、好ましくは１０〜５０℃でよい。
気中養生時間は、十分な強度発現と生産効率の観点から、好ましくは０．５〜５時間、より好ましくは１〜４時間、さらに好ましくは２〜４時間である。また、水中養生時間は、好ましくは５時間以上、より好ましくは１０時間以上、さらに好ましくは２０時間以上である。
【００１９】
また、表面含浸剤養生は、成形体をケイ酸アルカリ水溶液中に浸漬して、成形体の強度を増進させる養生である。
前記ケイ酸アルカリ水溶液中のケイ酸アルカリは、好ましくはケイ酸ナトリウムおよび／またはケイ酸カリウムである。そして、前記ケイ酸アルカリ水溶液中のケイ酸アルカリの含有率は、好ましくは１０〜４０質量％である。該含有率が１０質量％未満ではケイ酸アルカリの浸透量が不充分で強度増進効果は小さく、４０質量％を超えるとケイ酸アルカリ水溶液の粘性が高くなり浸透性が低下するおそれがある。なお、該含有率は、より好ましくは２０〜３５質量％である。
前記表面含浸剤養生の養生時間は、好ましくは６〜４８時間である。該時間が６時間未満では養生が十分でなく、４８時間を超えても強度増進効果は飽和する傾向にある。なお、製造効率の観点から、前記表面含浸剤養生の養生時間は、より好ましくは１２〜２４時間である。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
１．使用した材料
（１）超速硬セメントクリンカー細骨材（略号：ＳＨＣＣ）
スーパージェットセメント（登録商標、小野田ケミコ社製）の構成成分であるアーウィンおよびビーライト含有クリンカーを粉砕して使用した。
平均粒子径（積算分布：５０体積％）：１４４μｍ（マイクロトラック・ベル社製のレーザー回折・散乱式 粒子径分布測定機を用いて測定した。）
（２）砂
珪砂８号（東北硅砂社製）、密度２．６１ｇ／ｃｍ３
（３）超速硬セメント（略号：ＳＨＣ）
商品名：スーパージェットセメント（登録商標、小野田ケミコ社製）、密度３．０１ｇ／ｃｍ３
（４）早強ポルトランドセメント（ＨＰＣ）
ブレーン比表面積：４０００ｃｍ２／ｇ（太平洋セメント社製）
（５）水
水道水
（６）ケイ酸アルカリ水溶液
商品名：ジルコンパーミエイトＦＳ−＃１０（ケイ酸ナトリウム／ケイ酸カリウム＝１（モル比）、ケイ酸ナトリウムとケイ酸カリウムの合計の含有率は２９質量％、フォーシェル社製）
【００２１】
２．セメント組成物、鋳型、およびモルタル供試体の作製
表１に掲載の配合に従い、細骨材として前記の超速硬セメントクリンカー細骨材と、粘結材として超速硬セメント、または早強ポルトランドセメントを、ビニル袋に入れて振盪してセメント組成物を作製した。
次に、該セメント組成物と、結合材噴射式粉末積層造形装置（付加製造装置  商品名：ZPrinter310  Ｚコーポレーション社製）を用いて、寸法が縦１０ｍｍ、横１６ｍｍ、および長さ８０ｍｍのモルタル供試体と、図１に示す階段状の鋳型を作製した。
なお、前記装置による鋳型の成形方法は、所定の位置を選択して、ノズルから一定量の水を噴出して、セメント組成物を固化する方法であり、水／粘結材は質量比で０．０５である。
【００２２】
３．モルタル供試体の曲げ強度の測定
次に、前記モルタル供試体を、表１に示す養生パターン（２０℃の気中で３時間養生、２０℃の気中で３時間養生した後さらに２０℃の水中で２１時間養生、または表面含浸剤養生）で養生した後、曲げ強度試験機  MODEL-2257（アイコーエンジニアリング社製）を用いて３点曲げ試験を行い、前記モルタル供試体の曲げ強度を測定した。その結果を表１に示す。なお、前記表面含浸剤養生とは、成形体を２０℃の気中で３時間養生した後、さらに２０℃の前記ケイ酸アルカリ水溶液中に浸漬して２１時間養生することである。
表１に示すように、実施例１は、３時間の気中養生、３時間の気中養生後さらに水中で２１時間水中養生した場合、および、表面含浸剤養生のいずれも、比較例１に比べて曲げ強度が高い。また、実施例２は、３時間の気中養生、および、３時間の気中養生後さらに水中で２１時間水中養生した場合のいずれも、比較例２に比べて曲げ強度が高い。ちなみに、水中への運搬時や寸法測定時に破損しないためには、３時間の気中養生で要求される曲げ強度は０．１ＭＰａ以上である。
【００２３】
４．鋳物の作製
さらに、前記鋳型に溶融した金属を流し込み、鋳物を作製した。粘結剤として、ＳＨＣを用いた場合（実施例１と比較例１）は、アルミ合金（注湯温度：約７５０℃）を流し込み、ＨＰＣを用いた場合（実施例２と比較例２）は、鋳鉄（注湯温度：約１４５０℃）を流し込んだ。
すべての実施例および比較例において、鋳込み時にガスが発生せず、図２（実施例１）に示すような、表面が平滑な鋳物が作製できた。
【００２４】
【表１】
0006644614.tif 000002
【図１】
0006644614.tif 000003
【図２】
0006644614.tif 000004