(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉水砕スラグを加熱処理して結晶化させた結晶化スラグ、及び水硬性物質からなり、結晶化スラグと水硬性物質の合計100部中、結晶化スラグの含有量が90部〜50部である炭酸化硬化体用セメント組成物。
【請求項２】
結晶化スラグのガラス化率が30%以下であることを特徴とする請求項１記載の炭酸化硬化体用セメント組成物。
【請求項３】
結晶化スラグのブレーン比表面積が3,000cm2/g以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の炭酸化硬化体用セメント組成物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、土木・建築業界において使用される炭酸化硬化体用セメント組成物に関する。なお、本発明における部及び％は特に規定しない限り質量基準で示す。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
二酸化炭素排出量に関して、全産業に占める土木・建設業の割合は極めて大きく、環境負荷の低減が切望されている。セメント産業から排出される二酸化炭素はそのほとんどが原料である石灰石の脱炭酸反応や燃料の燃焼に由来している。
【０００３】
したがって、セメント産業において二酸化炭素排出量を軽減するためには、セメントクリンカの焼成量を低減することが最も有効な方法であり、各種混合セメントの利用を推進することは極めて重要である。
【０００４】
一方、製鉄所から産業副産物として産出される高炉スラグはコンクリート分野では広範に利用されている。高炉スラグは、急冷されてガラス化した高炉水砕スラグと、徐冷されて結晶化した高炉徐冷スラグに大別される。
【０００５】
このうち、高炉水砕スラグはアルカリ性で、かつ潜在水硬性を有しており、セメントと同程度、あるいは、それ以上に細かく粉砕されたものが高炉セメントの原料として利用されている。
【０００６】
ガラス化した高炉水砕スラグは潜在水硬性を有しており、セメントクリンカーに多量に混和しても長期強度は低下しないという優れた特性をもつことから、高強度コンクリートや高流動コンクリートなど様々な分野での研究がなされている。
【０００７】
最近では、産業副産物である高炉スラグの高機能化に関する研究が始まろうとしている。
【０００８】
ところで、従来より、転炉スラグ及び石灰石に水を添加した後炭酸ガス加圧雰囲気下で硬化させた「人造石」（特開昭49-88922号公報）、水硬性物質及び転炉スラグ等を成分とする組成物に水を添加し、加圧成型した後炭酸ガスを吸収させて硬化させる「炭酸化による成形品」（特公昭56-36147号公報等）が提案されている。
【０００９】
しかしながら、従来の「人造石」及び「炭酸化による成形品」は加圧成型しなければ十分な強度を発現しないものであった。今日では、加圧成型を必要とせず、流し込み成型でも高強度を発現できるセメント組成物が強く求められている。
【００１０】
本発明者らは、高炉スラグを用いた炭酸化硬化体用セメントの高機能化について鋭意検討した結果、結晶化スラグを用いて作製した水硬性物質の硬化体を炭酸化すると、硬化体表面付近に緻密で硬い層を形成するために、炭酸化による圧縮強度増加への貢献度が著しく大きいことを見出した。この知見をもとに、高強度の炭酸化硬化体が得られることを知見し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は高炉水砕スラグを加熱処理した結晶化スラグ、及び水硬性物質からなり、結晶化スラグと水硬性物質の合計100部中、結晶化スラグの含有量が90部〜50部である炭酸化硬化体用セメント組成物であり、結晶化スラグのガラス化率が30%以下であることを特徴とする該炭酸化硬化体用セメント組成物であり、結晶化スラグのブレーン比表面積が3,000cm2/g以上である該炭酸化硬化体用セメント組成物である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の結晶化スラグとは、高炉水砕スラグを加熱処理して結晶化させたスラグを意味する。成分としては高炉水砕スラグと同様の化学成分を持つ。具体的には、SiO2、CaO、Al2O3、及びMgO等を主要な化学成分とし、その他、TiO2、MnO、Na2O、S、P2O5、及びFe2O3等が挙げられる。
【００１３】
高炉水砕スラグの化合物としては、ガラス質の他にゲーレナイト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含む。また、元素組成から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、メルビナイト3CaO・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、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、さらに、硫化カルシウムCaS、硫化鉄FeSなどの硫化物等を含むと推定されている。
【００１４】
結晶化スラグは粉末Ｘ線回折法による定性分析では、メリライトを含有することが確認されている。
【００１５】
本発明で使用する結晶化スラグのガラス化率は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％を越えると炭酸化に伴う強度増進が十分でなかったり、硬化体にクラックが発生しやすくなる。また、ガラス化率の下限は制限がなく、完全に結晶化したものが最も好ましい。
【００１６】
本発明でいうガラス化率(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結晶化スラグ中の主要な結晶性化合物であるメリライト（ゲーレナイト2CaO・Al2O3・SiO2とアケルマナイト2CaO・MgO・2SiO2の混晶）のメインピークの面積であり、Ｓ0はスラグを1,000℃で3時間加熱し、その後、5℃／分の冷却速度で冷却した試料粉末のメリライトのメインピークの面積を表す。
【００１７】
結晶化スラグのブレーン比表面積は特に限定されるものではないが、3,000cm2/g以上が好ましく、4,000cm2/g〜8,000cm2/gがより好ましく、5,000cm2/g〜8,000cm2/gが最も好ましい。ブレーン比表面積が3,000cm2/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る。また、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、結晶化スラグ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傾向がある。
【００１８】
結晶化スラグの配合割合は水硬性物質と結晶化スラグの合計100部中、50〜90部が好ましく、60〜80部がより好ましい。50部未満では、炭酸化後の強度が十分でない場合があり、90部を超えると、炭酸化養生前の硬化体強度が十分でなく、脱型時に硬化体が破損する恐れがある。
【００１９】
本発明で使用する水硬性物質としては、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、高炉水砕スラグ、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、また、石灰石粉末等を混合したフィラーセメント等が挙げられ、これらのうちの一種又は二種以上が使用可能である。
【００２０】
本発明のセメント組成物中の水硬性物質の使用量は、特に限定されるものではないが、通常、水硬性物質と結晶化スラグの合計100部中、水硬性物質10〜50部が好ましく、20〜40部がより好ましい。10部未満では、炭酸化養生前の硬化体強度が十分でなく、脱型時に硬化体が破損する恐れがあり、逆に水硬性物質が50部を超えると、炭酸化後の強度が十分でない場合がある。
【００２１】
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。
【００２２】
水の使用量は特に限定されるものではないが、通常、セメント組成物100部に対して20部〜50部が好ましく、30部〜40部がより好ましい。20部未満では流動性が不足して混練物の流し込み成型が困難となる場合があり、50部を超えると得られる成型体の強度が十分でない場合がある。
【００２３】
本発明では、水硬性物質、結晶化スラグのほかに、砂や砂利などの骨材、及び減水剤、AE減水剤、高性能減水剤、高性能AE減水剤、消泡剤、発泡剤、増粘剤、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、高分子エマルジョン、凝結調整剤、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一種又は二種以上を、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。
【００２４】
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。
【００２５】
本発明における炭酸化養生とは、本セメント組成物及び水を混合して作製した硬化体を、炭酸ガスを含むガス雰囲気下にて炭酸化処理を行うことをいう。なお、ガス雰囲気とは、炭酸ガスを含有していれば特に制約はなく、窒素、酸素、水素、アルゴン、及び水蒸気等のガスを含有していればよい。
【００２６】
本発明における炭酸化硬化体とは、本セメント組成物を水和して硬化させて硬化体とし、更に炭酸化養生したものをいう。
【００２７】
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、及びナウタミキサ等の使用が可能である。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の実験例に基づいてさらに説明する。
【００２９】
実験例１
セメント25部と、表１に示す各種スラグ粉末又は石灰石粉末75部を混合してセメント組成物を調製した。このセメント組成物100部に対し、水30部を加えて混練してペーストを調製した。このペーストを型枠に流し込み、24時間後に脱型し、以後材齢7日までの6日間、20℃の水中養生を行った（これを前養生という）。その後、30℃、相対湿度60％、炭酸ガス濃度5％環境において促進炭酸化した。供試体を輪切りにし、断面にフェノールフタレインアルコール溶液を塗布して中性化深さを確認し、完全に中性化された供試体を炭酸化養生後の供試体とし、炭酸化養生後の供試体のクラック等を観察するとともに、クラックの発生していない供試体の圧縮強度を測定した。
【００３０】
なお、比較のために、前養生が終了した後も引き続き水中養生を継続した場合（以下標準養生という）についても同様の実験を行った。結果を表１に併記する。
【００３１】
＜使用材料＞
水硬性物質イ：早強ポルトランドセメント、電気化学工業社製
スラグＡ（結晶化スラグ）：高炉水砕スラグを1000℃で加熱処理して結晶化させたもの、ガラス化率5％、ブレーン比表面積4,000cm2/g、
スラグＢ：高炉徐冷スラグ、ガラス化率5%、ブレーン比表面積4,000cm2/g、
スラグＣ：高炉水砕スラグ、ガラス化率95%、ブレーン比表面積4,000cm2/g、
石灰石粉末：主成分炭酸カルシウム。ブレーン比表面積4,000cm2/g。
水        ：水道水
【００３２】
＜測定方法＞
圧縮強度  ：2×2×8cm供試体を作製して測定。
【００３３】
【表１】
0003877585.tif 000002
・供試体の○はクラックなし、×はクラックが多く発生。
【００３４】
実験例２
セメント組成物中のスラグＡ（結晶化スラグ）の配合割合を表２に示すように変化し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。
【００３５】
【表２】
0003877585.tif 000003
・供試体の状態欄の○はクラックなし、×はクラックが多く発生、−は硬化
しないために供試体を作成できず。
【００３６】
実験例３
本セメント組成物において、スラグＡ（結晶化スラグ）の配合割合を75部、水硬性物質イ25部として、スラグＡのブレーン比表面積を表３に示すように変化したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表３に併記する。
【００３７】
【表３】
0003877585.tif 000004
・供試体の状態欄の○はクラックなし
【００３８】
実験例４
ブレーン比表面積4,000cm2/gのスラグＡ（結晶化スラグ）を使用し、セメント組成物中のスラグＡの配合割合を75部、水硬性物質25部で合計100部とし、水の添加量を表４に示すように変化したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表４に併記する。
【００３９】
【表４】
0003877585.tif 000005
・供試体の状態欄の○はクラックなし
【００４０】
実験例５
スラグＡ及びスラグＣを混合してガラス化率を表５に示すガラス化率になるように調製した混合スラグを作製した。上記混合スラグの配合割合を75部、水硬性物質イ25部のセメント組成物を混合し、実験例１と同様の評価を行った。結果を表５に併記する。
【００４１】
【表５】
0003877585.tif 000006
・供試体の状態欄の○はクラックなし
【００４２】
【発明の効果】
本発明のセメント組成物を使用することにより、流し込み成型が可能であり、炭酸化養生において優れた強度発現性を示し、クラックの発生もない硬化体が得られる。また、産業副産物である高炉スラグの高機能化を実現でき、環境負荷の大きいセメントの使用量を低減しても高強度の硬化体が得られる。