(57)【要約】【課題】本発明は、硬化収縮を低減することができるジオポリマー組成物を提供する。【解決手段】ジオポリマー組成物は、珪酸アルカリ塩、前記珪酸アルカリ塩とでジオポリマーの生成を可能にする活性化成分、及びパルプ繊維を含有する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
珪酸アルカリ塩、前記珪酸アルカリ塩とでジオポリマーの生成を可能にする活性化成分、及びパルプ繊維を含有する、ジオポリマー組成物。
【請求項２】
前記パルプ繊維を、０．５重量％以上２．０重量％未満の固形分重量割合で含有する、請求項１に記載のジオポリマー組成物。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のジオポリマー組成物の硬化物である、ジオポリマー硬化体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジオポリマー組成物、及びジオポリマー硬化体に関し、詳細には、建築用、土木用、構造体成形用材料に適したジオポリマー組成物、及びジオポリマー硬化体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来よりセメントを用いた建築用材料が提供されている。この建築用材料は、セメント中の二酸化ケイ素と水酸化カルシウムとを中和反応を利用して、作製される。このようにして得られた建築用材料を屋外環境で暴露させた場合、例えば二酸化炭素を含んだ雨が、建築用材料を経時的に腐食すると共に建築用材料の強度を低下させてしまう可能性が考えられる。
【０００３】
また、水酸化カルシウムの前駆体である酸化カルシウムは、炭酸カルシウムを主成分とする石灰石を焼成して得られる。このように石灰石から酸化カルシウムを得る際、二酸化炭素も同時に生じさせてしまう。このため、石灰石を焼成することは、大気中の二酸化炭素濃度を高くさせてしまうことが考えられる。
【０００４】
そこで、コンクリートやモルタルに代わるものとして、特許文献１では、フライアッシュ等のフィラーと、少なくとも水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、珪酸ナトリウム、珪酸カリウムのいずれかを含むアルカリ活性剤とを含有するジオポリマー組成物が提案されている。
【０００５】
しかし、ジオポリマー組成物を硬化させる場合、コンクリートやモルタルに比べて、硬化収縮が大きくなる傾向がある。このため、特許文献１のようなジオポリマー組成物であっても硬化収縮が大きく生じることが考えられ、ジオポリマー組成物の硬化直後に、硬化物を、目的の大きさにすることが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２３９４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、硬化収縮を低減することができるジオポリマー組成物、及び前記ジオポリマー組成物の硬化物であるジオポリマー硬化体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】
本発明に係るジオポリマー組成物は、珪酸アルカリ塩、前記珪酸アルカリ塩とでジオポリマーの生成を可能にする活性化成分、及びパルプ繊維を含有する。
【０００９】
本発明に係るジオポリマー組成物は、前記パルプ繊維を、０．５重量％以上２．０重量％未満の固形分重量割合で含有してもよい。
【００１０】
本発明に係るジオポリマー硬化体は、前記ジオポリマー組成物の硬化物である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、硬化収縮を低減することができるジオポリマー組成物、及び前記ジオポリマー組成物の硬化物であるジオポリマー硬化体を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る一実施形態を説明する。
【００１３】
本実施形態に係るジオポリマー組成物は、珪酸アルカリ塩、この珪酸アルカリ塩とでジオポリマーの生成を可能にする活性化成分、及びパルプ繊維を含有する。
【００１４】
ジオポリマー組成物が、パルプ繊維を含有することで、パルプ繊維を含有しない組成物に比べて、硬化時の硬化収縮を低減することができる。
【００１５】
本実施形態に係るジオポリマー組成物が珪酸アルカリ塩と活性化成分とを含有することで、ジオポリマーを生じさせることが可能になる。この場合、ジオポリマー組成物中でジオポリマーの生成を進行させて、ジオポリマー硬化体を得ることができる。ここで、「ジオポリマー」は、アルミニウム等を含有する珪酸ポリマーである。
【００１６】
一方、ジオポリマー硬化体と外観が似ている硬化物として、例えばセメント系硬化体が挙げられる。このセメント系硬化体は、その主要成分（例えば、珪酸及び消石灰）における中和反応で得られる硬化物である。
【００１７】
ジオポリマー硬化体は、中和反応とは異なる反応機構で得られるため、セメント系硬化体に比べて、二酸化炭素等を含有する雨により、腐食され難くなる。
【００１８】
ジオポリマー組成物が、乾燥状態の活性化成分と、乾燥状態の珪酸アルカリ塩とを含有する場合、ジオポリマー組成物は、硬化前に、水を含有することができる。これにより、活性化成分と珪酸アルカリ塩とを水に溶解させてジオポリマーを生じさせることができる。
【００１９】
具体的には、水に溶解した珪酸アルカリ塩は、一般的に水ガラスとして知られている、水酸基を有する珪酸になり得る。このような水ガラス（水酸基を有する珪酸）はアルカリ性を示すため、水ガラスの生成により、ジオポリマー組成物はアルカリ環境に変化する。これにより、活性化成分に含まれる一部の金属元素が溶出し、溶出した金属元素が金属水酸化物に形成されると考えられる。このようにして得られた水ガラスと金属水酸化物とが反応して、ジオポリマーが生成されると考えられる。
【００２０】
珪酸アルカリ塩は、珪素を主要元素として含有する珪酸と、アルカリ金属とを含有する化合物であるとよい。珪酸アルカリ塩としては、例えば、珪酸ナトリウム、珪酸カリウム、メタ珪酸ナトリウムが挙げられる。
【００２１】
ジオポリマー組成物が、水ガラスを含有する場合、ジオポリマー組成物は珪酸アルカリ塩と共に水を含有することができる。水ガラスとして、例えば、珪酸ナトリウム水溶液、珪酸カリウム水溶液が挙げられる。
【００２２】
活性化成分は、アルカリ環境で金属水酸化物になる金属元素を含有する化合物であるとよい。活性化成分は、フライアッシュ、スラグ及びメタカオリンの群から選択される少なくとも１種の成分を含有することができる。ジオポリマー組成物を製造する際の利便性やコスト等を考慮して、活性化成分は、フライアッシュを含有することが好ましい。活性化成分がスラグを含有する場合、スラグは高炉水砕スラグであるとよい。活性化成分に含まれる金属元素として、例えば、アルミニウムが挙げられる。活性化成分と珪酸アルカリ塩とからジオポリマーを得ることができれば、活性化成分は、アルミニウム以外の金属元素を含有してもよい。
【００２３】
活性化成分がスラグとフライアッシュを含有する場合、スラグとフライアッシュとの重量比が、１００〜１０：０〜９０であることが好ましく、より好ましくは、５０〜３０：５０〜７０あり、特に好ましくは４０：６０である。
【００２４】
水と珪酸アルカリ塩とで水ガラスが形成される場合、水ガラスに含まれる水に、金属元素が活性化成分から溶出して、金属水酸化物が形成され得る。この金属水酸化物と水ガラス（水酸基を有する珪酸）とが反応して、ジオポリマーが生成され得る。
【００２５】
パルプ繊維は、セルロースを主要成分とする繊維成分であるとよい。パルプ繊維は、例えば、合紙パルプ、故紙パルプの群から選択される少なくとも１種を含有することができる。パルプ繊維は、ＪＩＳ  Ｐ  ８１２１に準拠したろ水度試験方法により測定されるろ水度（フリーネス）が５００±１００ｍｌであることが好ましい。
【００２６】
パルプ繊維の平均繊維長は、２．３ｍｍ以上であることが好ましい。パルプ繊維の平均繊維長は、例えば、篩い分け試験で測定することができる。
【００２７】
ジオポリマー組成物は、その固形分重量割合で、０．５重量％以上２．０重量％未満の範囲のパルプ繊維を含有することが好ましい。パルプ繊維の好ましい含有量の下限は、上記の通り、０．５重量％であるが、これに限らず、パルプ繊維の含有量は、１重量％以上であることがより好ましい。ジオポリマー組成物が０．５重量％以上のパルプ繊維を含有すると、パルプ繊維の含有量に応じて、硬化収縮を低減させることができる。また、ジオポリマー組成物が２．０重量％以上のパルプ繊維を含有すると、養生硬化時の硬化収縮を低減させることができても、その後の乾燥硬化時で硬化収縮を大きくさせる傾向がある。さらに、ジオポリマー組成物中が水を含有する場合、その水分が、パルプ繊維の含有量の増加に応じて、不足する傾向がある。このため、パルプ繊維をジオポリマー組成物中で均一に分散させにくくなる場合がある。しかし、ジオポリマー組成物中のパルプ繊維の分散性を良くするために、水の含有量を増やすと、ジオポリマー硬化体における強度等の物性を低下させてしまうことがある。
【００２８】
ジオポリマー組成物がパルプ繊維を含有する場合、ジオポリマー組成物は水とパルプ繊維との混合液を含有することができる。この場合、混合液中でパルプ繊維が均一に分散されているとよい。このような分散液をジオポリマー組成物が含有する場合、ジオポリマー組成物中でパルプ繊維を均一に分散させることができ、ジオポリマー硬化物における硬化収縮のバラツキを軽減することができる。
【００２９】
ジオポリマー組成物は、アルカリ水溶液を含有してもよい。この場合、アルカリ水溶液と珪酸アルカリ塩とで水ガラスを生成することができると共に、アルカリ水溶液がアルカリ環境を維持して水ガラスをジオポリマー組成物中で中和させにくくすることができる。更に、アルカリ環境下で珪酸アルカリ塩以外の珪素酸化物から水ガラスを生成させることが可能になる。これにより、ジオポリマーの生成量が増加して、ジオポリマー硬化体の強度を更に向上させることができる。アルカリ水溶液として、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液が挙げられる。
【００３０】
ジオポリマー組成物に含まれる水の量は、本実施形態に係る効果を得ることができれば、ジオポリマー組成物の流動性や利便性等に合わせて適度に設定されてもよい。
【００３１】
ジオポリマー組成物は、建築用、土木用、構造体成形用途に適した組成物であることが好ましく、後述の床板材に適した組成物であることがより好ましい。上記用途の他に、一般的にコンクリートやモルタルが採用されている用途に、ジオポリマー組成物を適応させることができる。
【００３２】
ジオポリマー組成物の用途に応じて、ジオポリマー組成物は、例えば、軽量化材、骨材、強化繊維、増粘剤、着色剤等の各種添加材を含有することができ、添加剤の含有量を適宜調整することができる。添加材の含有量は、例えば、ジオポリマー組成物の固形分重量割合で、０重量％〜２．０重量％の範囲内であってもよい。
【００３３】
軽量化材としては、例えば、パーライト、シラスバルーン等の無機発泡体や、発泡ポリスチレン、ポリ塩化ビニリデン発泡体、アクリロニトリル系発泡体等の有機発泡体が挙げられる。
【００３４】
骨材としては、例えば、マイカ、シリカ、珪石粉、岩粉、珪砂、砕石が挙げられる。骨材がマイカである場合、その粒子形状が鱗片状である。このため、マイカが、充填材として機能して、ジオポリマー組成物の硬化収縮を低減させることに寄与するとも考えられる。
【００３５】
ジオポリマー組成物は、パルプ繊維とは別の強化繊維を更に含有することができる。これにより、強化繊維はジオポリマー組成物の硬化収縮を低減させることを可能にすると共に、ジオポリマー硬化体の強度と向上させることが期待される。強化繊維として、例えば、ビニロン繊維、ポリプロピレン繊維、アクリル繊維、カーボン繊維、麻、金属繊維が挙げられる。より具体的には、強化繊維はビニロン繊維であってもよい。
【００３６】
ジオポリマー組成物が強化繊維する場合、ジオポリマー硬化体を得る際の硬化収縮を低減することができる。
【００３７】
増粘剤としては、例えば、メチルセルロースやヒドロキシメチルセルロースやカルボキシメチルセルロースが挙げられる。
【００３８】
着色剤としては、例えば、鉄黒、カーボンブラック、酸化クロムが挙げられる。
【００３９】
本実施形態に係るジオポリマー組成物の硬化物はジオポリマー硬化体であることが好ましい。ジオポリマー硬化体を作製するにあたって、ジオポリマー組成物を、公知の手順で硬化させることができれば、ジオポリマー組成物を硬化させる方法は特に限定されない。例えば、ジオポリマー組成物を型枠内に充填させることができる。そして、型枠内に充填したジオポリマー組成物を養生硬化させて養生硬化物を作製し、その後、この養生硬化物に乾燥処理を施すことができる。これにより、型枠内でジオポリマー組成物を硬化させて型枠の内形状に合わせた外形状を有するジオポリマー硬化体を得ることができる。
【００４０】
型枠内で硬化されたジオポリマー硬化体は、例えば、ＯＡフロア材等の床板材に適した材料になり得る。ジオポリマー硬化体がＯＡフロア材として利用される場合、型枠からジオポリマー硬化体を離型させなくてもよい。
【００４１】
ジオポリマー組成物からジオポリマー硬化体を作製する場合、ジオポリマー組成物を６０℃且つ密封状態の下で２４時間養生硬化させることが好ましく、養生硬化物を６０〜１０５℃の下で乾燥処理を施すことが好ましい。この場合、ジオポリマーの生成を十分に行うことが可能となる。これにより、ジオポリマー硬化体の強度を高めることができる。
【００４２】
ジオポリマー組成物からジオポリマー硬化体が作製される際、硬化前に、ジオポリマー組成物中で、珪酸アルカリ塩と、活性化成分と、パルプ繊維とが均一に分散されていることが好ましい。ジオポリマー組成物中の各成分を分散させるにあたって、例えば、バッチ式や連続式のミキサー内でジオポリマー組成物を混練することができる。
【００４３】
また、上記の他に、セメントやモルタルの代わりに、ジオポリマー組成物を適応させることができる。例えば、積石等の構造物における隙間にジオポリマー組成物を充填して硬化させる場合、このジオポリマー組成物を構造物の接着材として機能させることができる。
【００４４】
本実施形態に係るジオポリマー組成物を、上記のように硬化させる場合、パルプ繊維を含有しないジオポリマー組成物よりも、硬化収縮が低減されたジオポリマー硬化体を得ることができる。
【００４５】
パルプ繊維を含有しないジオポリマー組成物を型枠内で硬化させる場合、得られる硬化物の体積は、型枠の容積よりも小さくなりやすい。これは、ジオポリマー組成物を硬化させる際に生じる、ジオポリマーの硬化収縮に起因すると考えられる。このため、パルプ繊維を含有しないジオポリマー組成物を硬化させる際、その硬化体の体積を予測して、型枠の容積を適切に設定する必要がある。
【００４６】
本実施形態のジオポリマー組成物がパルプ繊維を含有することで、ジオポリマー組成物からジオポリマー硬化体を作製する際の硬化収縮を低減することが可能になる。更に、ジオポリマー組成物の硬化時に生じるジオポリマーに起因して、ジオポリマー硬化体は、セメントやモルタルの硬化物に比べて、二酸化炭素等を含有する雨により、腐食されにくくなる。
【実施例】
【００４７】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。
【００４８】
なお、具体例として挙げられている下記成分を用いて、ジオポリマー組成物を調製した。
・スラグ：高炉水砕スラグ（日鉄住金スラグ製品株式会社製のエスメント）；
・フライアッシュ：株式会社テクノ中部製の中部フライアッシュ；
・パルプ繊維：合紙パルプ及び故紙パルプを含有するパルプ繊維（平均繊維長２．３ｍｍ以上）と水とを混合した６１.０重量％の混合液、フリーネス５００±１００ｍｌ；
・ビニロン繊維：株式会社クラレ製のビニロン繊維（２ｄｔｅｘ×６ｍｍ）；
・マイカ：東海工業株式会社製のマイカ；
・珪酸ソーダ：大阪珪酸曹達株式会社製の特１号珪酸ソーダ（水ガラス、４７重量％水溶液）。
【００４９】
＜実施例１＞
固形分重量割合で、３４．２重量％のスラグと、５１．２重量％のフライアッシュと、１．１重量％のビニロン繊維と、０．５重量％のパルプ繊維と、２．０重量％のマイカと、１１．０重量％の珪酸ソーダを容器内に投入して水の含有量を３０．０重量％にした。そして、これらの成分を混合してジオポリマー組成物を調製した。このジオポリマー組成物を型枠内に充填し、その状態のジオポリマー組成物を温度６０℃且つ密封状態の下で２４時間養生硬化させて養生硬化物を作製した。続いて、この養生硬化物に６０℃の下で乾燥処理を施してジオポリマー硬化体を得た。
【００５０】
＜実施例２＞
スラグを３４．４重量％、フライアッシュを５１．６重量％、パルプ繊維を１．０重量％にして、ビニロン繊維を添加しなかった以外は、実施例１と同様にした。
【００５１】
＜実施例３＞
スラグを３４．２重量％、フライアッシュを５１．３重量％、パルプ繊維を１．５重量％にした以外は、実施例２と同様にした。
【００５２】
＜比較例４＞
スラグを３４．０重量％、フライアッシュを５１．０重量％、パルプ繊維を２．０重量％にした以外は、実施例２と同様にした。
【００５３】
＜比較例１＞
スラグを３４．４重量％、フライアッシュを５１．５重量％にして、パルプ繊維を添加しなかった以外は、実施例１と同様にした。
【００５４】
各実施例及び比較例における組成を、後掲の表１に示す。
【００５５】
【表１】
2017186186.tif 000002
【００５６】
各実施例及び比較例における、養生硬化物と、ジオポリマー硬化体とを用いて、養生硬化時の硬化収縮率、乾燥処理後の硬化収縮率、総収縮率、吸水率、含水率、及び絶乾比重を求めた。
【００５７】
＜養生硬化時の硬化収縮率（養生収縮率）＞
各実施例及び比較例のジオポリマー組成物から、上記の通り、養生硬化物を作製した後、下記式に基いて養生収縮率を算出した。
養生収縮率（％）＝（Ｂ−Ａ）／Ａ×１００
上記値Ａは、内形状が平面視正方形の型枠において、幅、奥行きの長さをノギスで複数回（３回）測定した値の平均値である。上記値Ｂは、養生硬化物の平面視形状において、幅、奥行きの長さをノギスで複数回（３回）測定した値の平均値である。
【００５８】
＜乾燥処理後の硬化収縮率（乾燥収縮率）＞
各実施例及び比較例の養生硬化物に、上記の通り、乾燥処理を施してジオポリマー硬化体を作製した後、下記式に基いて乾燥収縮率を算出した。
乾燥収縮率（％）＝（Ｃ−Ｂ）／Ｂ×１００
上記値Ｂは、養生硬化物の平面視形状において、幅、奥行きの長さをノギスで複数回（３回）測定した値の平均値である。上記値Ｃは、ジオポリマー硬化体の平面視形状において、幅、奥行きの長さをノギスで複数回（３回）測定した値の平均値である。
【００５９】
＜総収縮率＞
上記のように算出された、養生収縮率と、乾燥収縮率との和で得られた値を、総収縮率とした。
【００６０】
＜吸水率＞
各実施例及び比較例のジオポリマー硬化体を水浴内の水に２４時間浸漬させ、その重量を測定した。このようにして測定された重量を吸水状態の重量とした。また、ジオポリマー硬化体を１０５℃にて２４時間乾燥させ、その重量を測定した。このようにして測定された重量を乾燥状態の重量とした。吸水率は吸水状態の重量と乾燥状態の重量から算出した。
【００６１】
＜含水率＞
各実施例及び比較例のジオポリマー硬化体の初期重量を測定し、その後、ジオポリマー硬化体を１０５℃にて２４時間乾燥させてから乾燥状態の重量を測定した。含水率は初期状態の重量と乾燥状態の重量から算出した。
【００６２】
＜絶乾比重＞
各実施例及び比較例のジオポリマー硬化体を水浴内の水に２４時間浸漬させてから、水中での重量と、吸水状態の重量とを測定した。その後、ジオポリマー硬化体を１０５℃にて２４時間乾燥させてから乾燥状態の重量を測定した。絶乾比重は、乾燥状態の重量を、吸水状態の重量と水中での重量の差で割ることで算出した。水中での重量は、吊りはかりで測定した。
【００６３】
これらの結果を、後掲の表２に示す。
【００６４】
【表２】
2017186186.tif 000003