(57)【要約】【課題】製造コストの低減および天然資源の保全を図ることができると共に、圧縮強度が十分に高く且つ密度が十分に低いケイ酸カルシウム水和物系建材を提供すること。【解決手段】ケイ酸カルシウム水和物系材料を成形し、オートクレーブ処理してなるケイ酸カルシウム水和物系建材において、前記ケイ酸カルシウム水和物系材料は、石灰質材料と、密度が０．６ｇ／ｃｍ３以上０．９ｇ／ｃｍ３以下のフライアッシュバルーンを含有するケイ酸質材料と、増粘剤とを含有しており、前記フライアッシュバルーンの含有量は、前記石灰質材料および前記ケイ酸質材料の合計量に対して、３８質量％以上６５質量％以下である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケイ酸カルシウム水和物系材料を成形し、オートクレーブ処理してなるケイ酸カルシウム水和物系建材において、前記ケイ酸カルシウム水和物系材料は、石灰質材料と、密度が０．６ｇ／ｃｍ３以上０．９ｇ／ｃｍ３以下のフライアッシュバルーンを含有するケイ酸質材料と、増粘剤とを含有しており、前記フライアッシュバルーンの含有量は、前記石灰質材料および前記ケイ酸質材料の合計量に対して、３８質量％以上６５質量％以下であることを特徴とするケイ酸カルシウム水和物系建材。
【請求項２】
請求項１に記載のケイ酸カルシウム水和物系建材において、前記ケイ酸カルシウム水和物系建材の密度は１．０ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とするケイ酸カルシウム水和物系建材。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のケイ酸カルシウム水和物系建材において、前記ケイ酸質材料中における前記フライアッシュバルーンの含有量は５５質量％以上であることを特徴とするケイ酸カルシウム水和物系建材。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のケイ酸カルシウム水和物系建材において、前記オートクレーブ処理における処理温度は１７０℃以上１８５℃以下であることを特徴とするケイ酸カルシウム水和物系建材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建築や土木の分野における構造物として好適に用いることができるケイ酸カルシウム水和物系建材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、オートクレーブ処理を利用したケイ酸カルシウム水和物系建材が、外壁材やオートクレーブ軽量気泡コンクリート（ＡＬＣ）などとして利用されている。ケイ酸カルシウム水和物系建材は、セメントなどの石灰質材料と、ケイ石微粉末などのケイ酸質材料を混合し、オートクレーブ処理（水熱反応）により、結晶性の優れたトバモライト（５ＣａＯ・６ＳｉＯ２・５Ｈ２Ｏ）を生成させているものが多い（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１３１４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ケイ酸カルシウム水和物系建材においては、所定の圧縮強度を維持しつつ、密度をより小さくすることが要求されているが、この要求を特許文献１に記載のような建材では十分に満たすことができない。また、特許文献１に記載のような建材においては、ケイ酸質材料として、砂鉱として集積された石英を主成分とするケイ石微粉末が利用されているため、採掘、集積、運搬などのコストが多大になると共に、ケイ石の枯渇といった資源保護の問題もある。
【０００５】
そこで、本発明は、製造コストの低減および天然資源の保全を図ることができると共に、圧縮強度が十分に高く且つ密度が十分に低いケイ酸カルシウム水和物系建材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】
本発明のケイ酸カルシウム水和物系建材は、ケイ酸カルシウム水和物系材料を成形し、オートクレーブ処理してなるケイ酸カルシウム水和物系建材において、前記ケイ酸カルシウム水和物系材料は、石灰質材料と、密度が０．６ｇ／ｃｍ３以上０．９ｇ／ｃｍ３以下のフライアッシュバルーンを含有するケイ酸質材料と、増粘剤とを含有しており、前記フライアッシュバルーンの含有量は、前記石灰質材料および前記ケイ酸質材料の合計量に対して、３８質量％以上６５質量％以下であることを特徴とするものである。
【０００７】
なお、従来、フライアッシュバルーンは建材の骨材としては利用されていたが、ケイ酸カルシウム水和物の構成物質の一つであるケイ酸質材料として利用できることは知られていなかった。これに対し、本発明者らは、オートクレーブ処理により、フライアッシュバルーンと石灰質材料とからトバモライトなどのケイ酸カルシウム水和物が形成されることを見出した。そして、本発明においては、フライアッシュバルーンを建材の骨材として用いるという従来の技術常識を覆し、石灰質材料およびケイ酸質材料の合計量に対して３８質量％以上という過剰な量のフライアッシュバルーンをケイ酸質材料として用いている。そして、このように過剰な量のフライアッシュバルーンをケイ酸質材料として用いた場合に、驚くべきことに、建材として要求される所定の圧縮強度を維持できることを見出した。
すなわち、本発明においては、ケイ酸質材料としてケイ石微粉末に代えて、通常は廃棄されているフライアッシュバルーンを用いることから、製造コストや資源保全の問題を解決できる。また、フライアッシュバルーンはケイ石微粉末などの代替物質として有効に働くため、オートクレーブ処理によりフライアッシュバルーンと石灰質材料とからトバモライトなどのケイ酸カルシウム水和物が形成される。そして、このようなフライアッシュバルーンは密度が低いことから、建材の圧縮強度を維持しつつ、建材の密度をより小さくすることができる。また、フライアッシュバルーンを用いた場合は材料分離が生じやすいが、増粘剤を併用することにより、材料分離を十分に抑制することができる。
【０００８】
本発明のケイ酸カルシウム水和物系建材においては、前記ケイ酸カルシウム水和物系建材の密度は１．０ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。
本発明においては、密度が低いフライアッシュバルーンを用いることにより、建材の圧縮強度を維持しつつ、建材の密度をより小さくすることができるため、建材の密度を１．０ｇ／ｃｍ３以下とすることができる。
【０００９】
本発明のケイ酸カルシウム水和物系建材においては、前記ケイ酸質材料中における前記フライアッシュバルーンの含有量は５５質量％以上であることが好ましい。
このように、前記ケイ酸質材料中におけるフライアッシュバルーンの含有量が高くなるほどケイ石微粉末などの使用量を少なくすることができる。そのため、製造コストや資源保全の観点から、前記フライアッシュバルーンの含有量が高いことが好ましい。
【００１０】
本発明のケイ酸カルシウム水和物系建材においては、前記オートクレーブ処理における処理温度は１７０℃以上１８５℃以下であることが好ましい。
このようにオートクレーブ処理における処理温度を上記範囲とする場合には、ケイ酸カルシウム水和物の中でもトバモライトが生成されやすくなる。そして、このような場合、フライアッシュバルーンと石灰質材料とからトバモライトが形成されることから、上記本発明の効果をより確実に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１で得られたケイ酸カルシウム水和物系固化体の断面を示す電子顕微鏡写真である。
【図２】実施例１および実施例２で得られたケイ酸カルシウム水和物系固化体の細孔径分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明のケイ酸カルシウム水和物系建材は、以下説明するケイ酸カルシウム水和物系材料を成形し、オートクレーブ処理してなるものである。先ず、本発明に用いるケイ酸カルシウム水和物系材料について説明する。
本発明に用いるケイ酸カルシウム水和物系材料は、石灰質材料と、密度が０．６ｇ／ｃｍ３以上０．９ｇ／ｃｍ３以下のフライアッシュバルーンを含有するケイ酸質材料と、増粘剤とを含有しており、前記フライアッシュバルーンの含有量は、前記石灰質材料および前記ケイ酸質材料の合計量に対して、３８質量％以上６５質量％以下であるものである。
【００１３】
本発明に用いる石灰質材料としては、例えば、生石灰（ＣａＯ）、消石灰（Ｃａ（ＯＨ）２）、ポルトランドセメントが挙げられる。これらの中でも、ポルトランドセメントを用いることが好ましい。
【００１４】
本発明に用いるケイ酸質材料としては、例えば、ケイ石微粉末、シリカフューム、籾殻灰、フライアッシュ、フライアッシュバルーンが挙げられる。
前記石灰質材料および前記ケイ酸質材料の合計量に対する前記ケイ酸質材料の含有量は、特に限定されるものではないが、目的とする生成物がトバモライトである場合には、４０質量％以上９０質量％以下であることが好ましく、５０質量％以上７０質量％以下であることがより好ましい。
【００１５】
本発明においては、前記ケイ酸質材料が、密度が０．６ｇ／ｃｍ３以上０．９ｇ／ｃｍ３以下のフライアッシュバルーンを含有することが必要である。ここで、フライアッシュバルーンとは、火力発電所の微粉炭の燃焼により発生した灰分が溶けた灰白色の微粉であって、二酸化珪素（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）を主成分とし、バルーン状に形成されていて通常のフライアッシュよりも軽くなっているものをいう。
前記フライアッシュバルーンの密度は、０．６ｇ／ｃｍ３以上０．９ｇ／ｃｍ３以下であることが必要であるが、得られる建材における圧縮強度と密度とのバランスという観点から、０．７ｇ／ｃｍ３以上０．８ｇ／ｃｍ３以下であることがより好ましい。
前記フライアッシュバルーンの５０％体積粒子径は、得られる建材における圧縮強度と密度とのバランスという観点から、１００μｍ以上１４０μｍ以下であることが好ましい。なお、５０％体積粒子径とは、測定対象の粉体の集団の全体積を１００％として累積カーブを求めたとき、その累積カーブの体積の値が５０％となる点の粒子径のことをいう。５０％体積粒子径は粒度分布測定装置を用いて測定することができる。
【００１６】
前記石灰質材料および前記ケイ酸質材料の合計量に対する前記フライアッシュバルーンの含有量は、３８質量％以上６５質量％以下であることが必要であり、５０質量％以上６５質量％以下であることがより好ましい。前記フライアッシュバルーンの含有量が３８質量％未満では、高い圧縮強度および低い密度を同時に達成している建材を得ることができず、他方、６５質量％を超えると、得られる建材の力学的性能が不足するおそれがある。
また、前記ケイ酸質材料中における前記フライアッシュバルーンの含有量は、製造コストや資源保全の観点から、５５質量％以上であることが好ましく、７５質量％以上であることがより好ましく、１００質量％であることが特に好ましい。
【００１７】
本発明に用いる増粘剤としては、例えば、セルロース（メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロースなど）、ポリアクリルアミド、ポリエチレンオキシド、ポリビニールアルコールなどの水溶性高分子；アニオン系、カチオン系、ノニオン系または両性の界面活性剤が挙げられる。これらは１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。また、これらの増粘剤の中でも、セルロース、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤を用いることが好ましく、スルホン基を有する芳香族化合物などのアニオン系界面活性剤とテトラアルキルアンモニウム塩などのカチオン系界面活性剤とを併用することが特に好ましい。
前記増粘剤の添加量は、特に限定されないが、混練するための水１００質量部に対して、１質量部以上１０質量部以下の範囲であることが好ましい。
【００１８】
本発明に用いるケイ酸カルシウム水和物系材料は、前記石灰質材料、前記ケイ酸質材料および前記増粘剤を混練するために、水を含有していることが好ましい。
前記ケイ酸カルシウム水和物系材料における水粉体比（水の質量／石灰質材料およびケイ酸質材料の合計量）は、０．５以上０．９以下であることが好ましく、０．７以上０．８以下であることがより好ましい。前記水粉体比が前記下限未満では、得られる建材の密度が高くなり過ぎるおそれがあり、他方、前記上限を超えると、得られる建材の力学的性能が不足するおそれがある。
【００１９】
本発明に用いるケイ酸カルシウム水和物系材料は、前記石灰質材料、前記ケイ酸質材料および前記増粘剤を含有するものであるが、必要に応じて、減水剤、急硬材、各種の金属、セラミックス、有機繊維など添加物を更に含有していてもよい。また、これらの添加物を用いる場合には、その添加量は特に限定されない。
【００２０】
以上、本発明に用いるケイ酸カルシウム水和物系材料について説明したが、以下、本発明のケイ酸カルシウム水和物系建材について説明する。
本発明のケイ酸カルシウム水和物系建材は、前記ケイ酸カルシウム水和物系材料を成形し、オートクレーブ処理（水熱処理）してなるものである。
【００２１】
ケイ酸カルシウム水和物系材料を成形する方法としては、ケイ酸カルシウム水和物系材料を型枠に打設する方法を採用することができる。また、打設したケイ酸カルシウム水和物系材料には、前記オートクレーブ処理を施す前に前養生処理を施すことが好ましい。前養生処理における処理温度は、４０℃以上８０℃以下の範囲とすることが好ましい。前養生処理における処理湿度は、９０％ＲＨ以上とすることが好ましい。前養生処理における処理時間は、６時間以上１２時間以下の範囲とすることが好ましい。
【００２２】
オートクレーブ処理における処理温度は、１７０℃以上であればよく特に限定されないが、１７０℃以上１８５℃以下の範囲とすることが好ましい。温度が前記範囲内であれば、結晶性の高いトバモライトが形成されるという観点から好ましい。オートクレーブ処理における処理時間は、６時間以上１２時間以下の範囲とすることが好ましい。なお、オートクレーブ処理とは、被処理物を飽和水蒸気圧下に曝す処理のことをいう。
【００２３】
以上説明した本発明のケイ酸カルシウム水和物系建材によれば、以下の作用効果がある。すなわち、本発明においては、ケイ酸質材料としてケイ石微粉末に代えて、通常は廃棄されているフライアッシュバルーンを用いることから、製造コストや資源保全の問題を解決できる。
また、フライアッシュバルーンはケイ石微粉末などの代替物質として有効に働くため、オートクレーブ処理によりフライアッシュバルーンと石灰質材料とからトバモライトなどのケイ酸カルシウム水和物が形成される。そして、このようなフライアッシュバルーンは密度が低いことから、建材の圧縮強度を維持しつつ、建材の密度をより小さくすることができる。具体的には、本発明においては、建材の密度を１ｇ／ｃｍ３以下（より好ましくは０．５５ｇ／ｃｍ３以上０．９ｇ／ｃｍ３以下の範囲、特に好ましくは０．６ｇ／ｃｍ３以上０．８ｇ／ｃｍ３以下の範囲）とすることができる。また、このような場合において、建材の圧縮強度を６Ｎ／ｍｍ以上（より好ましくは８Ｎ／ｍｍ以上、特に好ましくは１０N／ｍｍ以上）とすることができる。
また、フライアッシュバルーンを用いた場合は材料分離が生じやすいが、増粘剤を併用することにより、材料分離を十分に抑制することができる。
【実施例】
【００２４】
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。なお、実施例においては、石灰質材料およびケイ酸質材料として、普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）、α−石英を主成分とするケイ石微粉末（Ｓｉ）およびフライアッシュバルーン（ＦＡＢ）を用いている。表１にＯＰＣ、ＳｉおよびＦＡＢの主な化学組成、並びにそれらの強熱減量（ｉｇ．ｌｏｓｓ）、５０％体積粒子径および密度を示し、表２にＦＡＢの主な鉱物組成およびｉｇ．ｌｏｓｓを示す。
【表１】
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【００２５】
【表２】
2012091945.tif 000003
【００２６】
［実施例１］
普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）３０質量部と、ケイ石微粉末（Ｓｉ）３０質量部と、フライアッシュバルーン（ＦＡＢ）４０質量部とを混合し、さらに粉体比が０．７となる量の水、および、水の量に対して１．５質量％となる量の増粘剤（花王（株）製の高性能特殊増粘剤、主成分：アルキルアリルスルホン酸塩およびテトラアルキルアンモニウム塩）を混合して練り混ぜて、ケイ酸カルシウム水和物系材料を得た。
得られたケイ酸カルシウム水和物系材料を、大きさ１×１×８ｍｍの型枠に流し込んで成形し、温度４０℃の湿潤条件にて１０時間の前養生処理を施して成形体を得た、得られた成形体を脱枠し、その後、温度１８０℃の飽和水蒸気圧下にて８時間のオートクレーブ処理を施した。オートクレーブ処理後の成形体を、多量のアセトン中に３０分間浸漬させ、アスピレータで３０分間吸引した。そして、さらにアスピレータにより温度２０℃にて２４時間乾燥させ、ケイ酸カルシウム水和物系固化体を得た。
【００２７】
［実施例２］
普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）４０質量部と、フライアッシュバルーン（ＦＡＢ）６０質量部とを混合し、さらに粉体比が０．６となる量の水、および、水の量に対して１．５質量％となる量の増粘剤（花王（株）製の高性能特殊増粘剤、主成分：アルキルアリルスルホン酸塩およびテトラアルキルアンモニウム塩）を混合して練り混ぜて、ケイ酸カルシウム水和物系材料を得た。
そして、得られたケイ酸カルシウム水和物系材料を用いた以外は実施例１と同様にしてケイ酸カルシウム水和物系固化体を得た。
【００２８】
＜Ｘ線回折スペクトルの測定＞
実施例１〜２で得られたケイ酸カルシウム水和物系固化体について、粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）内部標準法によりＸ線回折スペクトルを測定したところ、７．８°付近にピーク（トバモライトの００２面のピーク）が確認された。したがって、実施例１〜２で得られたケイ酸カルシウム水和物系固化体においては、トバモライトが生成されていることが確認された。
【００２９】
＜断面観察＞
実施例１で得られたケイ酸カルシウム水和物系固化体の断面を、電子顕微鏡を用いて観察した。電子顕微鏡写真を図１に示す。
図１に示す結果からも明らかな通り、フライアッシュバルーンの外殻表面には緻密な生成相が形成されているが、フライアッシュバルーンの外殻は残存していることが確認された。
【００３０】
＜密度および圧縮強度の測定＞
実施例１〜２で得られたケイ酸カルシウム水和物系固化体の密度（絶乾密度）および圧縮強度を、ＪＩＳ  Ｒ５２０１に記載の方法に準拠して、測定した。得られた結果を表３に示す。
【００３１】
【表３】
2012091945.tif 000004
【００３２】
表３に示す結果からも明らかな通り、本発明のケイ酸カルシウム水和物系（実施例１〜２で得られたケイ酸カルシウム水和物系固化体）においては、建材の圧縮強度を維持しつつ、建材の密度をより小さくすることができることが確認された。
【００３３】
＜細孔径分布の測定＞
実施例１〜２で得られたケイ酸カルシウム水和物系固化体について、水銀圧入法により細孔径分布を測定した。また、貫通細孔率についても測定したところ、実施例１で得られたケイ酸カルシウム水和物系固化体では２３．７％であり、実施例２でケイ酸カルシウム水和物系固化体では１９．７％であった。得られた結果を図２に示す。
図２に示す結果からも明らかな通り、ケイ酸質材料中におけるフライアッシュバルーンの含有量が多いほど、１μｍ程度の細孔は少なく、貫通細孔率も小さくなることが確認された。したがって、ケイ酸質材料中におけるフライアッシュバルーンの含有量が多いほど、建材の耐久性の向上が見込めることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、建築や土木の分野における構造物として好適に用いることができる。
【図２】
2012091945.tif 000005
【図１】
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