(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非硫酸態イオウとして存在するイオウを0.5％以上含有し、ガラス化率が30％以下である高炉徐冷スラグ粉末を含有してなるセメントコンクリート組成物と水とを混練してセメントコンクリートを調製し、成形し、少なくとも脱型可能な硬さに達した後、炭酸化することを特徴とするセメント硬化体。
【請求項２】
セメントコンクリートが、さらに、高分子化合物を含有してなることを特徴とする請求項１に記載のセメント硬化体。
【請求項３】
非硫酸態イオウとして存在するイオウを0.5％以上含有し、ガラス化率が30％以下である高炉徐冷スラグ粉末を含有してなるセメントコンクリート組成物と水とを混練してセメントコンクリートを調製し、成形し、少なくとも脱型可能な硬さに達した後、炭酸化することを特徴とするセメント硬化体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として土木・建築分野において使用される炭酸化されたセメント硬化体及びその製造方法に関する。
なお、本発明のセメントコンクリートとは、セメントペースト、モルタル、及びコンクリートを総称するものである。
また、本発明における部や％は特に規定しない限り質量基準である。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
硬化したセメント硬化体は、圧縮強度に比べ、曲げ強度が小さいという課題があった。特に、大型の建築物に使用される板材等は横持ちという面から充分な強度を必要とし、運搬中や施工中に端部や角部が破損しないよう、かなりの強度を必要としている。
【０００３】
従来、圧縮強度や曲げ強度を必要とするセメント硬化体を製造するためには、蒸気養生又はオートクレーブ養生等の高温高圧養生を行ったり、水／セメント比を低くするなどの方法を行っていた。
しかしながら、高温高圧のもとで養生を行うと、セメントにマイクロクラックが入りやすくなり、高い圧縮強度が得られても、曲げ強度を顕著に増大するものではなかった。
また、水／セメント比を低くする方法は、作業性が非常に悪く、運搬や取り扱いが不便なため実用性において課題があった。
【０００４】
本発明者は、前記課題を解決すべく種々検討を行った結果、特定のセメントコンクリートを炭酸化することにより、前記課題が解消できることを知見して本発明を完成するに至った。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、 非硫酸態イオウとして存在するイオウを0.5％以上含有し、ガラス化率が30％以下である高炉徐冷スラグ粉末を含有してなるセメントコンクリート組成物と水とを混練してセメントコンクリートを調製し、成形し、少なくとも脱型可能な硬さに達した後、炭酸化することを特徴とするセメント硬化体であり、セメントコンクリートが、さらに、高分子化合物を含有してなる該セメント硬化体であり、非硫酸態イオウとして存在するイオウを0.5％以上含有し、ガラス化率が30％以下である高炉徐冷スラグ粉末を含有してなるセメントコンクリート組成物と水とを混練してセメントコンクリートを調製し、成形し、少なくとも脱型可能な硬さに達した後、炭酸化することを特徴とする該セメント硬化体の製造方法である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
【０００７】
本発明で使用する高炉徐冷スラグ粉末(以下、徐冷スラグ粉という)は、鉄鋼所から排出される産業廃棄物であり、高炉徐冷スラグの粉末であって、徐冷されて結晶化した密度3.00g/cm3程度の高炉スラグ粉末である。
高炉徐冷スラグの成分は高炉水砕スラグと同様の組成を有しており、具体的には、SiO2、CaO、Al2O3、及びMgOなどを主要な化学成分とし、その他の成分として、TiO2、MnO、Na2O、S、P2O5、及びFe2O3などが挙げられる。
【０００８】
また、徐冷スラグ粉は、化合物としてゲーレナイト2CaO・Al2O3・SiO2とアケルマナイト2CaO・MgO・2SiO2の混晶である、いわゆる、メリライトを主成分とするもので、その他、ダイカルシウムシリケート2CaO・SiO2、ランキナイト3CaO・2SiO2、及びワラストナイトCaO・SiO2などのカルシウムシリケート、メルビナイト3CaO・MgO・2SiO2やモンチセライトCaO・MgO・SiO2などのカルシウムマグネシウムシリケート、アノーサイトCaO・Al2O3・2SiO2、リューサイト(K2O、Na2O)・Al2O3・SiO2、スピネルMgO・Al2O3、マグネタイトFe3O4、並びに、硫化カルシウムCaSや硫化鉄FeSなどの硫化物等を含む場合がある。
【０００９】
本発明では、徐冷スラグ粉のうち、例えば、硫化物、多硫化物、イオウ、チオ硫酸、及び亜硫酸等のように非硫酸態イオウとして存在するイオウ(以下、単に非硫酸態イオウという)を0.5％以上含むものを粉末化した徐冷スラグ粉を用いることが好ましく、0.7％以上がより好ましく、0.9％以上が最も好ましい。非硫酸態イオウが0.5％未満では、本発明の効果、即ち、流動性の保持性能や六価クロム還元性能が充分に得られない場合がある。
非硫酸態イオウ量は、全イオウ量、単体イオウ量、硫化物態イオウ量、チオ硫酸態イオウ量、及び硫酸態イオウ(三酸化イオウ)量を山口と小野の方法で定量することによって、また、硫酸態イオウ量(三酸化イオウ)と硫化物態イオウ量については、JIS R 5202に定められた方法で定量することによっても求めることができる(「高炉スラグ中硫黄の状態分析」、山口直治、小野昭紘：製鉄研究、第301号、pp.37-40、1980参照)。
【００１０】
徐冷スラグ粉のガラス化率は、30％以下が好ましく、10％以下がより好ましい。ガラス化率が30％を超えると水和熱が大きくなる場合がある。
ガラス化率(Ｘ)は、Ｘ(％)＝(１−Ｓ／Ｓ0)×100として求められる。ここで、Ｓは粉末Ｘ線回折法により求められる徐冷スラグ粉中の主要な結晶性化合物であるメリライトのメインピークの面積であり、Ｓ0は徐冷スラグ粉を1,000℃で３時間加熱し、その後、５℃／分の冷却速度で冷却したもののメリライトのメインピークの面積を表す。
【００１１】
徐冷スラグ粉のブレーン比表面積(以下、ブレーン値という)は特に限定されるものではないが、4,000cm2/g以上が好ましく、4,500〜8,000cm2/gがより好ましく、5,000〜8,000cm2/gが最も好ましい。ブレーン値が4,000cm2/g未満では、材料分離抵抗性が得られなかったり、中性化の抑制効果が充分でない場合があり、8,000cm2/gを超えるように粉砕するには、粉砕動力が大きくなり不経済であり、また、徐冷スラグ粉が風化しやすくなって品質の経時的な劣化が大きくなる場合がある。
【００１２】
また、本発明では、徐冷スラグ粉のメリライトの格子定数ａが7.73〜7.82の範囲にあるものが特に中性化の抑制効果が顕著であることから好ましい。
【００１３】
徐冷スラグ粉の使用量は、セメント100部に対して、10部以上が好ましく、40部以上がより好ましい。10部未満では炭酸化による強度増強が顕著に現れない場合がある。
【００１４】
本発明では、セメント、骨材、及び徐冷スラグ粉を含有するセメントコンクリート組成物と水とを混練してセメントコンクリートを調製する。
【００１５】
本発明で使用するセメントとしては、普通、早強、超早強、低熱、及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、又はシリカを混合した各種混合セメント、並びに、石灰石微粉末を混合したフィラーセメントなどが挙げられ、そのうち、普通、早強、及び低熱のポルトランドセメントが好ましい。
【００１６】
本発明で使用する高分子化合物は特に限定されるものではなく、一般に市販されているポリマー混和剤が使用可能である(「コンクリート混和剤の開発技術」、シーエムシー、240〜262頁、1998年発行参照)。
具体的にはポリアクリル酸エステル(ＰＡＥ)、スチレンアクリル酸エステル(ＳＡＥ)、スチレンブタジエンゴム(ＳＢＲ)、ポリビニルアルコール(ＰＶＡ)、及びポリ酢酸ビニル(ＰＶＡＣ)などが挙げられ、粉末状でも水溶液でも使用可能である。
高分子化合物の使用量は、セメント100部に対して、５〜15部が好ましい。５部未満では高分子化合物添加による強度増進効果が小さい場合があり、15部を超えると高分子化合物を併用しても強度増進につながらない場合がある。
【００１７】
本発明では、セメント、徐冷スラグ粉、高分子化合物、及び砂や砂利等の骨材、さらに、目的に応じてその他各種の添加剤を配合してセメントコンクリート組成物とし、それを比較的高い水／セメント比で混練し、作業生の良い状態で所定の形状に成形する。
【００１８】
本発明で使用する水の量は、セメント100部に対して、40〜60部が好ましく、45〜55部がより好ましい。40部未満では本発明の効果が得られにくく、60部を超えると徐冷スラグや高分子化合物を併用しても強度増進につながらない場合がある。
【００１９】
養生方法は特に限定されるものではないが、通常の常温養生の他に蒸気養生等の加温養生等も可能であり、炭酸化と同時に行うことも可能である。
養生期間は水／セメント比や配合などにより異なるが、加温養生で２〜24時間程度であり、常温養生では３〜28日程度である。
【００２０】
本発明においては、セメント硬化体を、少なくとも脱型可能な硬さに達した後、炭酸化することが必要である。
セメント硬化体の炭酸化とは、セメントの水和反応により生成した水酸化カルシウム(Ca(OH)2)と、浸透してきた炭酸ガス(CO2)とが反応することにより炭酸カルシウム(CaCO3)と水になる反応である。
この際、セメント硬化体が高アルカリ性から中性側に漸次移行するので、セメント硬化体の切断面にフェノールフタレイン溶液を噴霧し、呈色の変化から容易に炭酸化の程度を確認できる。
炭酸化条件は、空気中より炭酸ガス濃度が高い雰囲気、例えば、炭酸ガス濃度１〜30％が好ましく、５〜10％がより好ましい。
また、高圧容器中で炭酸化することは生産性向上の面からさらに有効である。炭酸化の程度としては、少なくともセメント硬化体の表面から２〜３mmが炭酸化されていれば、曲げ強度が著しく向上する。
さらに、セメント硬化体の全体にわたって炭酸化された場合はこの効果が一層顕著になる。
一般には、炭酸化は無筋のセメント硬化体に施すことが効果的である。
【００２１】
炭酸化にあたり、加温養生することが生産性向上の面から好ましい。蒸気養生やオートクレーブ養生等における温度は、30〜180℃が好ましく、40〜160℃がより好ましい。30℃未満では生産性が不充分であり、180℃を超えると温度応力によりマイクロクラックが多く入り、耐久力が低下する場合がある。
【００２２】
【実施例】
以下、実験例により本発明をさらに詳細に説明する。
【００２３】
実験例１
表１に示す量のセメントαと徐冷スラグ粉を使用し、セメント／砂比が1/2、水／セメント比50％のモルタルを調製した。
調整したモルタルを形枠に詰め、温度20℃、相対湿度80％の試験室で８時間養生を行った後、昇温速度15℃/時間、最高温度50℃、保持時間４時間の条件で蒸気養生し、材齢24時間で脱型して供試体を作製した。
この供試体を炭酸ガス濃度10％、温度40℃、及び相対湿度60％の環境で材令７日まで促進炭酸化養生を行い、中性化深さと曲げ強度を測定した。その結果を表１に併記する。
なお、比較のため、20℃の水中で材齢７日まで標準養生を行ったものも同様に行った。結果を表１に併記する。
【００２４】
＜使用材料＞
セメントα：電気化学工業社製普通ポルトランドセメント、ブレーン値3,500cm2/g、密度3.15g/cm3
徐冷スラグ粉Ａ：非硫酸態イオウ0.9％、ガラス化率10％
徐冷スラグ粉Ｂ：非硫酸態イオウ0.7％、ガラス化率10％
徐冷スラグ粉Ｃ：非硫酸態イオウ0.5％、ガラス化率10％
砂        ：ＩＳＯ標準砂
水        ：水道水
【００２５】
＜測定方法＞
中性化深さ：供試体表面を垂直に割裂し、そのモルタル断面に、フェノールフタレインの１％水溶液を塗布し、赤色に呈色しなかった部分の表面からの深さを測定、４点平均値
曲げ強度  ：４×４×16cmの供試体を作製し、JIS A 1106に準じて測定
【００２６】
【表１】
0003888931.tif 000002
【００２７】
表１から明らかなように、徐冷スラグ粉を10％以上使用して、促進炭酸化したものは、高い曲げ強度発現性を示す。
【００２８】
実験例２
セメントα60部、徐冷スラグ粉Ａ40部、及びセメント100部に対して10部の高分子化合物▲１▼を使用し、表２に示す炭酸ガス濃度で促進炭酸化養生を行ったこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表２に併記する。
【００２９】
＜使用材料＞
高分子化合物▲１▼：ポリアクリル酸エステル(ＰＡＥ)、市販品
【００３０】
【表２】
0003888931.tif 000003
【００３１】
表２から明らかなように、炭酸ガス濃度１〜30％の雰囲気下で促進炭酸化養生したものは、高い曲げ強度発現性を示す。
【００３２】
実験例３
表３に示すセメント60部、徐冷スラグ粉Ａ40部、及びセメント100部に対して10部の高分子化合物▲１▼を用いて、炭酸ガス濃度10％で促進炭酸化養生したこと以外は実験例２と同様に行った。結果を表３に併記する。
【００３３】
＜使用材料＞
セメントβ：電気化学工業株式会社製、早強ポルトランドセメント、ブレーン4,500cm2/g、密度3.12g/cm3
セメントγ：電気化学工業株式会社製、低熱ポルトランドセメント、ブレーン3,500cm2/g、密度3.15g/cm3
【００３４】
【表３】
0003888931.tif 000004
【００３５】
表３から明らかなように、セメントの種類によらず、本発明のセメント硬化体は高い曲げ強度発現性を示す。
【００３６】
実験例４
表４に示すガラス化率の異なる徐冷スラグ粉を使用し、炭酸ガス濃度10％で促進炭酸化養生したこと以外は実験例２と同様に行った。結果を表４に示す。
【００３７】
＜使用材料＞
徐冷スラグ粉Ｄ：非硫酸態イオウ0.9％、ガラス化率１％
徐冷スラグ粉Ｅ：非硫酸態イオウ0.9％、ガラス化率20％
徐冷スラグ粉Ｆ：非硫酸態イオウ0.9％、ガラス化率30％
【００３８】
【表４】
0003888931.tif 000005
【００３９】
表４から明らかなように、徐冷スラグ粉のガラス化率が30％以下の場合、優れた曲げ強度発現性を示す。
【００４０】
実験例５
表５に示す高分子化合物を使用し、炭酸ガス濃度10％で促進炭酸化養生したこと以外は実験例２と同様に行った。結果を表５に併記する。
【００４１】
＜使用材料＞
高分子化合物▲２▼：スチレンアクリル酸エステル(ＳＡＥ)、市販品
高分子化合物▲３▼：スチレンブタジエンゴム(ＳＢＲ)、市販品
高分子化合物▲４▼：ポリビニルアルコール(ＰＶＡ)、市販品
高分子化合物▲５▼：ポリ酢酸ビニル(ＰＶＡＣ)、市販品
【００４２】
【表５】
0003888931.tif 000006
【００４３】
表５から明らかなように、本発明のセメント硬化体は、高分子化合物の種類によらず、優れた強度発現性を示す。
【００４４】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明のセメント硬化体は優れた曲げ強度発現性を示す。
そして、本発明のセメント硬化体は、カーテンウォール、コンクリート製埋設型枠、及びＡＬＣなどの建材等、コンクリート二次製品に好ましく使用される。特に、90×180cm以上の板状製品において、横持ち運搬や取り付けなどの取り扱いに際しての端部や角部の欠損、不充分な強度、特に曲げ強度に起因するトラブルを解消することが可能となる。