(57)【要約】【課題】  有効利用法が見出されていない廃ガラス粉末を利用し、カルシウムアルミネート系化合物の欠点であるコンバージョンを防止すると共に、廃ガラスの欠点であるアルカリシリカ反応の防止をもなし得るセメント組成物を提供する。  【解決手段】カルシウムアルミネート系化合物と、廃ガラス粉末とを含有してなるセメント組成物。本発明のセメント組成物は、カルシウムアルミネートを主体としつつ、そのコンバージョンによる強度低下を効果的に防止し、流動性や耐酸性にも優れ、廃ガラス粉末に多く含まれるアルカリ金属に起因するアルカリシリカ反応による膨張も抑制できるなどの特徴を付与することができるため、土木および建築用途に適する。【選択図】  なし 【特許請求の範囲】
【請求項１】
カルシウムアルミネート系化合物と、廃ガラス粉末とを含有してなるセメント組成物。
【請求項２】
廃ガラス粉末のブレーン比表面積が3000cm２/g以上であることを特徴とする請求項１記載のセメント組成物。
【請求項３】
高炉水砕スラグ、フライアッシュ、シリカフュームから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または請求項２記載のセメント組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に、土木・建築業界において使用されるセメント組成物に関する。
【０００２】
なお、本発明における部や％は特に規定しない限り質量基準で示す。また、本発明で言うセメントコンクリートとは、セメントペースト、モルタル、およびコンクリートを総称するものである。
【背景技術】
【０００３】
近年、環境問題が大きくクローズアップされている。特に、産業副産物の有効利用について、様々な試みがなされている。しかしながら、これら副産物の中には、未だに有効利用方法が確立されていないものも多く見受けられる。そのひとつに、廃ガラスの粉末が挙げられる。
【０００４】
ガラスビン等の廃ガラスを破砕してガラスカレットなどとして再生処理する際に発生するダスト、いわゆる廃ガラス粉末の有効利用方法について十分に検討されていない現状にある。廃ガラス粉末は現在のところ廃棄物として処分されているため、廃ガラスを再生処理して得られるガラスカレットの処理コストは非常に高いものとなっている。したがって、廃ガラス粉末の有効利用法を見出すことは、廃ガラスのリサイクリングシステムを構築する上で極めて重要である。廃ガラス粉末の有効利用法としては、これまでに、排ガス処理材として利用する方法（特許文献１）や、ポルトランドセメントに混和して利用する方法（特許文献２）などが提案されている。
【０００５】
しかしながら、排ガス処理材として利用する方法は、使用量が非常に多く、排ガス処理後に多量の残渣が発生し、結局のところ、廃棄物の発生量を低減できないという根本的な問題があった。また、ポルトランドセメントに混和して利用する方法では、廃ガラスがアルカリ成分（NaやK）を多量に含有することより、“コンクリートのガン”と呼ばれるアルカリシリカ反応を呈してコンクリートの耐久性や信頼性を著しく損ねるという課題があった。このように、廃ガラス粉末の有効利用は未だに模索状態にある。
【０００６】
一方、ポルトランドセメントと並んでアルミアセメントが知られている。アルミナセメントはカルシウムアルミネート系化合物を主成分とする水硬性材料である。カルシウムアルミネート系化合物はポルトランドセメントと比較して、初期強度発現性に優れ、塩化物浸透に対する抵抗性や耐酸性にも優れるという特徴がある。しかしながらその一方で、水和物の転化（コンバージョン）によって長期的に強度が著しく低下するという課題を有するものであった。カルシウムアルミネート系化合物のコンバージョンを防止する方法としては、高炉水砕スラグ、フライアッシュ及びシリカフュームなどを併用する方法が提案されている（特許文献３および特許文献４）。
【０００７】
ここで、高炉水砕スラグ、フライアッシュ及びシリカフュームなどは既に多くの有効利用方法が確立しており、また、ポルトランドセメントに多量に混合して使用することもでき、今日ではＪＩＳも制定されるまでになっている。これらの副産物以外の未だに有効利用方法が見出されていない副産物について、その有効利用方法を確立することが循環型社会の構築に向けて強く求められている。
【０００８】
そこで、本発明者は、未だに有効利用法が確立されていない廃ガラス粉末について、その有効利用法を検討した結果、カルシウムアルミネート系化合物のコンバージョン防止効果を有すること、また、カルシウムアルミネート系化合物と組み合わせることによって、廃ガラスの欠点であるアルカリシリカ反応が起こらなくなるという全く新しい事実を知見し、本発明を完成するに至った。
【特許文献１】特開平14-253956号公報
【特許文献２】特開平12-233961号公報
【特許文献３】特開昭60-180945号公報
【特許文献４】特開平01-141844号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は有効利用法が見出されていない廃ガラス粉末を利用し、カルシウムアルミネート系化合物の欠点であるコンバージョンを防止すると共に、廃ガラスの欠点であるアルカリシリカ反応の防止をもなし得るセメント組成物を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、カルシウムアルミネート系化合物と、廃ガラス粉末とを含有してなるセメント組成物であり、廃ガラス粉末がブレーン比表面積で3000cm２/g以上であることを特徴とする該セメント組成物であり、高炉水砕スラグ、フライアッシュ、シリカフュームから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする該セメント組成物である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のセメント組成物は、カルシウムアルミネート系化合物のコンバージョンによる強度低下を防止でき、また、廃ガラスがもたらすアルカリシリカ反応も防止できるので、土木・建築分野で広範に利用でき、産業副産物である廃ガラス粉末の有効利用を可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明で言う廃ガラス粉末は、特に限定されるものではない。ガラスビン等の廃ガラスを破砕してガラスカレットなどとして再生処理する際に発生するダストであり、その成分は、通常、SiO2を主成分とし、その含有量はおおよそ70％程度である。また、その他にCaO、Na2O、Al2O3、Fe2O3、K2O、MgO、SO3、TiO2などを含んでいる。CaOとNa2Oの含有量はおおよそ10％程度であり、それ以外の成分は3％以内の場合が多い。
【００１３】
廃ガラス粉末の粒度は、特に限定されるものではない。通常、廃ガラスを破砕してガラスカレットなどとして再生処理する際に発生するダストの粒度は、ブレーン比表面積で2000cm2/g程度である。これをそのまま用いても良いが、さらに粉砕や分級を行い、微粉末化することが好ましい。廃ガラス粉末の粒度はブレーン比表面積で3000cm2/g以上が好ましく、4000cm2/g以上がより好ましい。廃ガラス粉末の粒度が3000cm2/g未満では、コンバージョンによる強度低下の抑止効果が十分でない場合や、アルカリシリカ反応が顕在化する場合がある。
【００１４】
本発明のカルシウムアルミネート系化合物は、CaOとAl2O3を主成分とする化合物を総称するものであり、特に限定されるものではない。その具体例としては、例えば、CaO・2Al2O3、CaO・Al2O3、12CaO・7Al2O3、11CaO・7Al2O3・CaF2、3CaO・Al2O3、3CaO・3Al2O3・CaSO4などと表される結晶性のカルシウムアルミネート類や、CaOとAl2O3成分を主成分とする非晶質の化合物が挙げられる。これらの中で、CaO/Al2O3モル比が１〜２にあるものを選定することが、可使時間の確保の観点から、また、アルカリシリカ反応の防止の観点から好ましい。
【００１５】
カルシウムアルミネートを得る方法としては、CaO原料とAl2O3原料をロータリーキルンや電気炉等によって熱処理して得る方法が挙げられる。カルシウムアルミネートを製造する際のCaO原料としては、例えば、石灰石や貝殻等の炭酸カルシウム、消石灰などの水酸化カルシウム、あるいは生石灰などの酸化カルシウムを挙げることができる。また、Al2O3原料としては、例えば、ボーキサイトやアルミ残灰と呼ばれる産業副産物のほか、アルミ粉などが挙げられる。
【００１６】
カルシウムアルミネートを工業的に得る場合、不純物が含まれることがある。その具体例としては、例えば、SiO2、Fe2O3、MgO、TiO2、MnO、Na2O、K2O、Li2O、S、P2O5、及びF等が挙げられる。これらの不純物の存在は本発明の目的を実質的に阻害しない範囲では特に問題とはならない。具体的には、これらの不純物の合計が10%以下の範囲では特に問題とはならない。
【００１７】
また、化合物としては、4CaO・Al2O3・Fe2O3、6CaO・2Al2O3・Fe2O3、6CaO・Al2O3・2Fe2O3などのカルシウムアルミノフェライト、2CaO・Fe2O3やCaO・Fe2O3などのカルシウムフェライト、ゲーレナイト2CaO・Al2O3・SiO2、アノーサイトCaO・Al2O3・2SiO2などのカルシウムアルミノシリケート、メルビナイト3CaO・MgO・2SiO2、アケルマナイト2CaO・MgO・2SiO2、モンチセライトCaO・MgO・SiO2などのカルシウムマグネシウムシリケート、トライカルシウムシリケート3CaO・SiO2、ダイカルシウムシリケート2CaO・SiO2、ランキナイト3CaO・2SiO2、ワラストナイトCaO・SiO2などのカルシウムシリケート、カルシウムチタネートCaO・TiO2、遊離石灰、リューサイト（K2O、Na2O）・Al2O3・SiO2等を含む場合がある。本発明ではこれらの結晶質または非晶質が混在していても良い。
【００１８】
本発明のカルシウムアルミネート系化合物の粒度は、特に限定されるものではないが、通常、ブレーン比表面積値で3000〜9000cm２/gの範囲にあり、4000〜8000cm２/g程度のものがより好ましい。3000cm２/g未満では強度発現性が充分でない場合があり、9000cm２/gを超えるようなものは取り扱いが困難な場合がある。
【００１９】
高炉水砕スラグ微粉末、フライアッシュおよびシリカヒューム（以下、便宜上、ポゾランという）の粉末度は特に限定されるものではないが、通常、高炉水砕スラグ微粉末とフライアッシュについては、ブレーン比表面積が3000〜9000cm2/g程度の範囲であり、シリカヒュームについては、BET比表面積が2〜20万m2/g程度の範囲である。
【００２０】
ポゾランは、カルシウムアルミネート系化合物のコンバージョンによる強度低下を防止する効果やアルカリシリカ反応の防止効果を助長する役割を担う。
【００２１】
本発明のセメント組成物における各材料の配合割合は、特に限定されるものではないが、通常、カルシウムアルミネート30〜80部が好ましく、40〜70部がより好ましい。廃ガラス粉末は70〜20部が好ましく、60〜30部がより好ましい。また、ポゾランは、必要に応じて、廃ガラス粉末の一部に置換して用いることが可能である。カルシウムアルミネートが30部未満であったり、廃ガラス粉末が70部を超えると、強度発現性が十分でなくなる場合があり、カルシウムアルミネートが80部を超えたり、廃ガラス粉末が20部未満であると、コンバージョンによる強度低下の防止効果が十分でない場合がある。
【００２２】
本発明のセメント組成物の粒度は、使用する目的・用途に依存するため特に限定されるものではないが、通常、ブレーン比表面積値で3,000〜8,000cm２/gが好ましく、4,000〜6,000cm２/gがより好ましい。3,000cm２/g未満では強度発現性が十分に得られない場合があり、8,000cm２/gを超えると作業性が悪くなる場合がある。
【００２３】
本発明では、本発明のセメント組成物の他に、公知のセメントを併用しても良い。公知のセメントとしては、普通、早強、超早強、低熱、および中庸熱等の各種ポルトランドセメント、これらポルトランドセメントに、高炉スラグ、フライアッシュ、またはシリカを混合した各種混合セメント、また、石灰石粉末等や高炉徐冷スラグ微粉末を混合したフィラーセメント、廃棄物利用型セメント、いわゆるエコセメント等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上が併用可能である。
【００２４】
本発明では、砂や砂利などの骨材の他に、石灰石微粉末、高炉徐冷スラグ微粉末、下水汚泥焼却灰やその溶融スラグ、都市ゴミ焼却灰やその溶融スラグ、パルプスラッジ焼却灰等の混和材料、減水剤、AE減水剤、高性能減水剤、高性能AE減水剤、消泡剤、増粘剤、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、ポリマー、凝結調整剤、スチールファイバー、ビニロンファイバー、炭素繊維等の繊維質物質、ベントナイト等の粘土鉱物、並びに、ハイドロタルサイト等のアニオン交換体等のうちの１種または２種以上を、本発明の目的を実質的に阻害しない範囲で使用することが可能である。
【００２５】
本発明において、各材料の混合方法は特に限定されるものではなく、それぞれの材料を施工時に混合しても良いし、あらかじめ一部を、あるいは全部を混合しておいても差し支えない。
【００２６】
混合装置としては、既存のいかなる装置も使用可能であり、例えば、傾胴ミキサ、オムニミキサ、ヘンシェルミキサ、Ｖ型ミキサ、およびナウタミキサ等の使用が可能である。
【実施例１】
【００２７】
カルシウムアルミネートと廃ガラスの粉末を表１に示すように配合してセメント組成物を調製した。次いで、JIS R 5201に準じてモルタルを調製し、促進コンバージョンによる圧縮強度の低下率の確認およびアルカリシリカ反応性試験を行った。ただし、アルカリシリカ反応性試験を行う際には、細骨材の一部（セメント組成物100部に対して30部）を反応性骨材に置換して実験を行った。なお、比較のために、カルシウムアルミネートの代わりに普通ポルトランドセメントを用いた場合についても同様に行った。結果を表１に併記する。
【００２８】
＜使用材料＞
カルシウムアルミネート(1)  ：市販のアルミナセメント、電気化学工業社製、CaO・Al２O３を主成分とする。ブレーン比表面積5000cm2/g。
カルシウムアルミネート(2)  ：12CaO・7Al２O３、試薬１級の炭酸カルシウムと酸化アルミニウムをモル比で12対7の割合で混合し、1350℃で3時間焼成する工程を２回繰り返して合成。ブレーン比表面積5000cm2/g。
カルシウムアルミネート(3)  ：非晶質12CaO・7Al２O３、カルシウムアルミネート(2)に試薬１級のシリカを3％添加して、1650℃で溶融後、急冷して合成。ブレーン比表面積5000cm2/g。
カルシウムアルミネート(4)  ：カルシウムアルミネート(1)とカルシウムアルミネート(2)の等量混合物。ブレーン比表面積5000cm2/g。
廃ガラス粉末Ａ：廃ガラスをガラスカレットとして再生する工場から発生するダストをブレーン比表面積3000cm2/gになるまで粉砕。
廃ガラス粉末Ｂ：廃ガラス粉末Ａをブレーン比表面積4000cm2/gとなるまでさらに粉砕したもの。
廃ガラス粉末Ｃ：廃ガラス粉末Ａをブレーン比表面積6000cm2/gとなるまでさらに粉砕したもの。
廃ガラス粉末Ｄ：廃ガラス粉末Ａをブレーン比表面積8000cm2/gとなるまでさらに粉砕したもの。
普通ポルトランドセメント：市販品の３種を等量づつ混合したもの。
水          ：水道水
細骨材      ：JIS R 5201で使用する標準砂。
反応性細骨材：オパールケイ石。
【００２９】
＜測定方法＞
圧縮強度：モルタルを型枠に詰めて4cm×4cm×16cmの成形体を作成し、材齢28日の圧縮強度をJIS R 5201に準じて測定した。
促進コンバージョン試験：材齢28日まで20℃の水中養生を行った供試体を、50℃の温水中に28日間入れて促進コンバージョンを行った。促進コンバージョンを行う前の圧縮強度に対する促進コンバージョンを行った後の強度の比を相対値で表し評価した。
アルカリシリカ反応性試験：モルタルバー法により、6ヶ月後の膨張率によって評価。
【００３０】
【表１】
2005047771.tif 000002
【実施例２】
【００３１】
カルシウムアルミネート（１）60部と、廃ガラス粉末Ｂと各種のポゾランを表２に示すように配合してセメント組成物としたこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表２に併記する。
＜使用材料＞
ポゾランα  ：市販の高炉水砕スラグ微粉末、ブレーン比表面積4000cm2/g。
ポゾランβ  ：市販のフライアッシュ、ブレーン比表面積4000cm2/g。
ポゾランγ  ：市販のシリカフューム、BET比表面積15万m2/g。
ポゾランΔ  ：ポゾランαとポゾランβの等量混合物。ブレーン比表面積4000cm2/g。
【００３２】
【表２】
2005047771.tif 000003
【実施例３】
【００３３】
カルシウムアルミネート（１）と、廃ガラス粉末Ｂと、各種のポゾランを表３に示すように配合してセメント組成物を使用し、耐酸性実験を行った。結果を表３に併記する。
＜測定方法＞
耐酸性実験：硫酸濃度５％の溶液に供試体を浸漬し、重量変化および硫酸浸透深さを確認して評価した。重量変化が±５％以上で、かつ、硫酸浸透深さが５mm以上の場合は×、重量変化が±５％以上、もしくは、硫酸浸透深さが５mm以上の場合は△、重量変化が±５％未満、かつ、硫酸浸透深さが５mm未満の場合は○、重量変化が±３％未満、かつ、硫酸浸透深さが３mm未満の場合は◎とした。
【００３４】
【表３】
2005047771.tif 000004
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明のセメント組成物は、カルシウムアルミネート系化合物のコンバージョンによる強度低下を効果的に防止し、流動性や耐酸性にも優れ、廃ガラス粉末に多く含まれるアルカリ金属に起因するアルカリシリカ反応による膨張も抑制できるなどの特徴を有し、土木および建築用途に適する。