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技術 セメント用混和材料及びセメント組成物

出願人 北越コーポレーション株式会社株式会社テクノ北越
発明者 太田実結城学而斉藤芳廣
出願日 1993年9月6日 (27年3ヶ月経過) 出願番号 1993-221320
公開日 1995年3月14日 (25年9ヶ月経過) 公開番号 1995-069694
状態 特許登録済
技術分野 セメント、コンクリート、人造石、その養正 セメント、コンクリート、人造石、その養生
主要キーワード 一次共鳴 建設用材 含有重量比率 圧縮強度値 供試体中 試供品 セメント添加材 セメント用混和材
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この項目の情報は公開日時点(1995年3月14日)のものです。
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目的

パルプ製造工程又は製紙工程において生じるパルプスラッジ焼却灰の有効利用。

構成

粉末度が3000〜 12000cm2/g の範囲内にある上記パルプスラッジ焼却灰セメント用混和材料として用いる。この材料は、セメントとセメント過多の範囲で配合する。

効果

廃棄に困っていた上記パルプスラッジ焼却灰がセメント用混和材料として有効利用できる。

概要

背景

概要

パルプ製造工程又は製紙工程において生じるパルプスラッジ焼却灰の有効利用。

粉末度が3000〜 12000cm2/g の範囲内にある上記パルプスラッジ焼却灰セメント用混和材料として用いる。この材料は、セメントとセメント過多の範囲で配合する。

廃棄に困っていた上記パルプスラッジ焼却灰がセメント用混和材料として有効利用できる。

目的

即ち、本発明は、前記パルプスラッジ焼却灰をセメント用混和材料として実用化することを技術的課題とするものである。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
9件

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請求項1

パルプ製造工程又は製紙工程において生じるパルプスラッジ焼却灰であって、その粉末度が3000〜 12000cm2/g の範囲内にある粉粒物からなるセメント用混和材料。

請求項2

パルプ製造工程又は製紙工程において生じるパルプスラッジの焼却灰が、固形分で約10〜60重量%の SiO2 と固形分で約10〜50重量%のAl2O3 と固形分で約3〜50重量%のCaO とを含有している請求項1記載のセメント用混和材料。

請求項3

請求項1又は2記載のセメント用混和材料をセメントに対して、セメント過多の範囲で、配合してなるセメント組成物

請求項4

セメント用混和材料がセメントに対して、セメント用混和材料:セメントの含有重量比率が30:70よりもセメント過多の範囲で配合されている請求項3記載のセメント組成物。

請求項5

請求項3記載のセメント組成物を用いたモルタル

請求項6

請求項3記載のセメント組成物を用いたコンクリート

技術分野

0001

本発明は、セメント用混和材料及びセメント組成物、詳しくは、パルプ製造工程又は製紙工程において生じるパルプスラッジ焼却灰を用いたセメント用混和材料及びセメント組成物に関する。

0002

本発明に係るセメント用混和材料を配合したセメント組成物は、汎用セメントを用いた場合と同様の強度・作業性をもってモルタルコンクリートを形成できるから、建設用材料として広く利用される。

0003

周知の通り、産業廃棄物を建設用材料として利用する試みは各方面でなされており、実用化もされている。例えば、火力発電所から排出される石炭灰フライアッシュ)は低発熱コンクリート用のセメント添加材料として実用されており、製鉄所から排出される高炉スラグノロ)はコンクリート用の骨材として実用されている。

0004

一方、パルプ製造工程又は製紙工程において生じるパルプスラッジの焼却灰、換言すれば、パルプ製造工場又は製紙工場若しくはパルプ−紙一貫製造工場から排出されるパルプスラッジ焼却灰は、わが国だけでも、年間50万トンにも達しているが、そのごく一部が土壌改良剤浄化システム用充填材に実用されているにすぎず、残りは廃棄されており、廃棄(埋立)用地や環境保全の点で問題視されているのが現状である。

0005

上記パルプスラッジ焼却灰を建設用材料として有効利用する試みは、本発明者の知る限り、いまだ提案も実用化もされていないが、本発明者は、その要因を次のように考えている。

0006

即ち、上記パルプスラッジ焼却灰は、排出工場毎に粉末度組成が大相違しているものであって、粉末度は概して1500〜 11000cm2/g の範囲内にあるが、排出工場によっては約1500〜2500cm2/g 程度のものもあれば、約 10000〜 11000cm2/g 程度のものもあり、また、組成は SiO2 、Al2O3 及びCaO を共通して含有しているが、排出工場毎に三者の含有比バラツキがあるため、当業者間では、かかるパルプスラッジ焼却灰を建設用材料、特に、定常性と安定性とが要求されるセメント用混和材料として利用することは、到底不可能とされていたものと考えている。

0007

事実、本発明者は、永年にわたり上記パルプスラッジ焼却灰の新規用途開発従事しており、その一環として、セメント用混和材料としての利用を、越製紙株式会社新工場(パルプ−紙一貫製造工場)から排出されるパルプスラッジ焼却灰(粉末度1500〜2800cm2/g )を対象として、検討してみたが、細骨材に対し約20重量%程度混和した段階で、単位水量の増加、単位AE剤量の増加及び粘着性の増加等ワーカビリティの低下を招くと共に、これを用いたモルタルやコンクリートの圧縮強度も大巾に低下してしまい、セメント用混和材料として利用することは不可能であった。

発明が解決しようとする課題

0008

しかし、本発明者は、前記パルプスラッジ焼却灰をセメント用混和材料として有効利用することが、その使用量、経済性等の観点から、わが国の現状に最も適していると判断し、更に検討を重ねることにした。

0009

即ち、本発明は、前記パルプスラッジ焼却灰をセメント用混和材料として実用化することを技術的課題とするものである。

課題を解決するための手段

0010

本発明者は、上記技術的課題を達成するために、可能な限り、多種類の前記パルプスラッジ焼却灰を入手し、それ等を対象に数多くの実験試作を重ねた結果、特定範囲の粉末度をもつパルプスラッジ焼却灰を、セメント過多の範囲で配合する場合には、 SiO2 、Al2O3 及びCaO の含有比にバラツキがあっても、ワーカビリティの低下やモルタル又はコンクリートの強度低下を招くことなく、セメント用混和材料として実用できるという刮目すべき知見を得、本発明を完成したものである。

0011

前記技術的課題は、次の通りの本発明によって達成できる。即ち、本発明は、パルプ製造工程又は製紙工程において生じるパルプスラッジの焼却灰であって、その粉末度が3000〜 12000cm2/g の範囲内にある粉粒物からなるセメント用混和材料である。

0012

また、本発明は、上記のセメント用混和材料をセメントに対して、セメント過多の範囲、望ましくは、当該混和材料:セメントの含有重量比が30:70よりもセメント過多の範囲で、配合してなるセメント組成物である。

0013

さらに、本発明は、上記のセメント組成物を用いてなるモルタル又はコンクリートである。本発明の構成をより詳しく説明すれば次の通りである。

0014

先ず、本発明に係るセメント用混和材料に用いるパルプ製造工程又は製紙工程において生じるパルプスラッジの焼却灰とは、パルプ製造工場、製紙工場及びパルプ−紙一貫製造工場から、日々排出されているパルプスラッジ焼却灰である。

0015

本発明においては、上記パルプスラッジ焼却灰の粉末度が3000〜 12000cm2/gであることを必須とする。粉末度が3000cm2/g 未満の場合には、モルタル又はコンクリートの圧縮強度が低下して実用に耐えられず、粉末度が 12000cm2/g を越える場合には、前記ワーカビリティが低下、特に粘着性が増加してミキサー処理が不可能となって実用できない。

0016

対象とするパルプスラッジ焼却灰の粉末度が、産出時において3000〜 12000cm2/g の範囲内にあれば、勿論、そのまま用いればよいが、産出時において3000cm2/g 未満であれば、周知のボールミル回転ミル等の粉砕機によって粉砕して所要の粉末度の粉粒物に調整しなければならない。

0017

なお、上記パルプスラッジ焼却灰は、前記の通り、 SiO2 、Al2O3 及び CaOを共通して含有しており、その含有比は排出工場毎にバラツキがある。しかし、粉末度が3000〜 12000cm2/g である場合には、 SiO2 が約10〜60重量%(固形分)、Al2O3 が約10〜50重量%(固形分)、CaO が約3〜50重量%(固形分)の範囲内で、それぞれ変動しても使用できる。また、粉末度が3000〜 12000cm2/g である場合には、Fe2O3 やMgO 等が含有されていても使用できる。

0018

次に、上述の通りの本発明に係るセメント用混和材料を配合するセメントは、市販の各種セメントを対象とできるが、その配合量は、本発明に係るセメント用混和材料がセメントに対して、セメント過多となる範囲であることを必須とする。

0019

望ましくは、本発明に係るセメント用混和材料:セメントの含有重量比率を約30:70よりもセメント過多の範囲とすべきである。本発明に係るセメント用混和材料の含有重量比率を大きくすればする程、セメントの代替品となるから、当然経済性はよくなるが、残念ながら、混和材料過多の範囲になると前記ワーカビリティが低下、特に粘着性が増加してミキサー処理が不可能となって実用できない。

0020

上述の通りの本発明に係るセメント組成物を用いてモルタルやコンクリートを得るに当っては、市販セメントを用いる場合と同様に、周知のミキサー等の建設用機器を用いて、所要量の細骨材及び水を加えて混練すればモルタルが、所要量の細骨材、粗骨材及び水を加えて混練すればコンクリートが得られる。なお、AE剤や減水剤の使用も市販セメントを用いる場合と同様にすればよい。

0021

本発明においては、パルプ製造工程又は製紙工程において生じるパルプスラッジ焼却灰の粉末度が3000〜 12000cm2/g の範囲内である場合には、後出実施例及び比較例に見られる通り、ワーカビリティの極端な低下やモルタル又はコンクリートの圧縮強度低下を招くことなく、セメントの代替品として使用できるが、この現象理論的解明は未だ行えていない。

0022

唯、本発明者が行った多くの実験結果の内には、粉末度3000〜 12000cm2/g の範囲内にあるものをセメントに対して20重量%配合したものを用いた硬化体とセメント単独を用いた硬化体との細孔径水銀圧入式ポロシメーターで測定したデータがあり、当該データによれば、前者の細孔径の方が後者の細孔径よりも小さく、しかも、前者の細孔径は材令と共に微小化して行くことが確認できているので、本発明者は、前者に見られる特異な緻密化現象がセメント代替品としての機能発現にかかわっているものと推定している。

0023

以下に、実施例及び比較例を挙げて本発明の構成と作用を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨と精神とを逸脱せざる限り、その実施態様を変更することができる。

0024

各実施例及び各比較例において、セメントは市販の普通ポルトランドセメントを、細骨材は川砂を、粗骨材は最大寸法25mmの砂利混り砕石を、水は水道水を、それぞれ用いた。

0025

粉末度は「JIS R−5201」に従って測定した。圧縮強度は各実施例及び各比較例に記載した手法によって測定し、凍結融解抵抗性並びに乾燥収縮性の測定は、それぞれ次の手法によって測定した。

0026

凍結融解抵抗性:10cm×10cm×40cm角柱試験体を用い、打込み後1日間霧室養生して脱型したのち、材令28日まで20℃水中養生を行ったものを試験に供した。試験体は3個1組とし、それらの平均値試験値とした。凍結融解性試験には1槽式水中凍結・水中融解方式凍結融解試験機(約 3.6時間/サイクル)を使用し、供試体中心温度+4〜−18℃の範囲での凍結融解繰返しを 300サイクルまで行い、凍結融解開始時及び凍結融解50サイクルごとにはりのたわみ一次共鳴振動数による相対動弾性係数重量減少量を求めるとともに、試験体外観写真に記録して評価した。

0027

乾燥収縮性:10cm×10cm×40cm角柱試験体を用い、試験体は3個1組としてそれらの平均値を試験値とした。長さ変化の測定はJIS A−1129のダイヤルゲージ法に従って行った。試験体は材令7日間、20℃水中養生終了時を長さ変化測定基点とし、その後、20℃60%RHの恒温恒湿槽内に保管し、1、4、8及び13週間後に、それぞれ長さ変化を測定し評価した。

0028

実施例1〜9
(セメント用混和材料の調製)パルプ−紙一貫製造工場から排出された組成・粉末度がそれぞれ異なっている表1に示す9種のパルプスラッジ焼却灰を、それぞれ別個に回転ミルで粉砕し、表1に示す粉末度の粉粒物として、9種のセメント用混和材料を調製した。
(セメント組成物の調製)上記9種のセメント用混和材料をセメントに対して、それぞれ当該セメント用混和材料:セメントの含有重量比率が20:80となるように配合して、9種のセメント組成物を調製した。
(モルタルの形成)上記9種のセメント組成物を用いて、それぞれ当該セメント組成物 520Kg/m3(セメント 416Kg/m3 ・セメント用混合材料 104Kg/m3 )、細骨材1040Kg/m3 及び水 336Kg/m3 の配合により常法に従ってモルタルとして、9種のモルタル試供品を得た。

0029

なお、モルタル試供品は、モルタル打込み後、1〜2日で脱型(1日では硬化が不十分で脱型が困難なものは、霧室養生2日後に脱型)し、所定の材令(7日、28日、91日)まで20℃で水中養生を行った。

0030

上記9種のモルタル試供品のそれぞれについて、φ5×10cmの円柱形試験体を作成し、常法に従って圧縮試験を行って測定した各圧縮強度値を表1に示した。なお、圧縮強度値は、試験体3個1組の平均値である。

0031

ID=000002HE=220 WI=104 LX=0530 LY=0300
比較例1
セメント用混和材料を用いず、セメント520Kg/m3 、細骨材1040Kg/m3 及び水336Kg/m3 の配合により常法に従ってモルタルとして、比較品を得た。

0032

なお、比較品は、モルタル打込み後、1日で脱型し、所定の材令(7日、28日、91日)まで20℃で水中養生を行った。実施例1〜9と同様にして求めた上記比較品の圧縮強度値を表1に示した。
(考察)前記実施例1〜9及び比較例1から、組成・粉末度が、 SiO2 :28.07 〜33.27 重量%、Al2O3 :21.15 〜39.05 重量%、CaO :11.61 〜22.80 重量%、Fe2O3 :1.17〜3.28重量%、MgO :6.83〜9.89重量%・粉末度:1450〜2840cm2/g と変動するパルプスラッジ焼却灰を用いても、粉末度を7270〜7960cm2/g の範囲に調整することによって、セメントの20重量%を前記セメント用混和材料により代替した場合に、セメント単独による場合とほぼ同等の圧縮強度をもち、実用できるモルタルが形成できることが確認できる。

0033

実施例10〜17
(セメント用混和材料の調製)パルプ−紙一貫製造工場から排出された組成が SiO2 32.5 重量%、Al2O3 31.3 重量%、 CaO 15.2重量%、Fe2O3 2.0重量%、MgO 17.5 重量%、強熱減量分 1.2 重量%で、粉末度が 10270cm2/g であるパルプスラッジ焼却灰を、そのままセメント用混和材料とした。
(セメント組成物の調製)上記セメント用混和材料をセメントに対し、当該セメント用混和材料:セメントの含有重量比率を、表2に示す通り10:90〜30:70の範囲内で、変更して配合し、8種のセメント組成物を調製した。
(コンクリートの形成)上記8種のセメント組成物と細骨材、粗骨材、水、市販のAE剤(ヴイルソン商品名:山宗化学社製)及び市販の減水剤(マイティ2000WH:商品名:花王社製)とを用い、配合量を、表2に示す通り種々変更し、常法に従ってコンクリートとして、8種のコンクリート試供品を得た。

0034

なお、コンクリート試供品は、コンクリート打込み後、24時間霧室養生して脱型し、所定の材令(7日、28日、91日、180 日)まで20℃水中養生を行った。上記8種のコンクリート試供品のそれぞれについて、φ10×20cmの円柱形試験体を作成し、常法に従って圧縮試験を行って測定した各測定値を表2に示した。なお圧縮強度値は、試験体3個1組の平均値である。

0035

表2には、セメント用混和材料:セメントの含有重量比率、セメント・セメント用混和材料・細骨材・粗骨材・水の各単位量、水:セメントの重量比、AE剤・減水剤の各配合量を併せて示した。

0036

ID=000003HE=215 WI=118 LX=0460 LY=0300
比較例2〜4
セメント用混和材料を用いず、セメント、細骨材、粗骨材、水、市販のAE剤(前出)及び市販の減水剤(前出)を用い、配合量を表2に示す通り種々変更し、常法に従ってコンクリートとして、3種の比較品を得た。

0037

なお、上記比較品は、コンクリート打込み後、24時間霧室養生して脱型し、所定の材令(7日、28日、91日、180 日)まで20℃水中養生を行った。上記3種の比較品のそれぞれについて、実施例10〜17と同様にして求めた圧縮強度値を表2に示した。

0038

表2には、セメント・細骨材・粗骨材・水の各単位量、水:セメントの重量比、AE剤・減水剤の各配合量を併せて示した。
実施例18〜22
(セメント用混和材料の調製)パルプ−紙一貫製造工場から排出された組成が SiO2 49.8 重量%、Al2O3 22.0 重量%、CaO 5.6重量%、Fe2O3 2.1重量%、MgO 19.6 重量%、強熱減量分 2.6 重量%で、粉末度が 11250cm2/g であるパルプスラッジ焼却灰を、そのままセメント用混和材料とした。
(セメント組成物の調製)上記セメント用混和材料をセメントに対し、当該セメント用混和材料:セメントの含有重量比率を、表3に示す通り10:90〜20:80の範囲内で、変更して配合し、5種のセメント組成物を調製した。
(コンクリートの形成)上記5種のセメント組成物と細骨材、粗骨材、水、市販のAE剤(前出)及び市販の減水剤(前出)とを用い、配合量を、表3に示す通り種々変更し、常法に従ってコンクリートとして、5種のコンクリート試供品を得た。

0039

なお、コンクリート試供品は、コンクリート打込み後、24時間霧室養生して脱型し、所定の材令(7日、28日、91日、180 日)まで20℃水中養生を行った。上記5種のコンクリート試供品のそれぞれについて、実施例10〜17と同様にして求めた圧縮強度値を表3に示した。

0040

表3には、セメント用混和材料:セメントの含有重量比率、セメント・セメント用混和材料・細骨材・粗骨材・水の各単位量、水:セメントの重量比、AE剤・減水剤の各配合量を併せて示した。

0041

ID=000004HE=195 WI=098 LX=0560 LY=0300
比較例5〜7
(セメント用混和材料の調製)製紙工場から排出された組成が SiO2 44.3 重量%、Al2O3 32.9 重量%、CaO 7.8重量%、Fe2O3 0.8重量%、MgO 11.9 重量%、強熱減量分 2.8 重量%で、粉末度が 2480cm2/gであるパルプスラッジ焼却灰を、そのままセメント用混和材料とした。
(セメント組成物の調製)上記セメント用混和材料をセメントに対し、当該セメント用混和材料:セメントの含有重量比率を、表3に示す通り10:90〜30:70の範囲内で、変更して配合し、3種の比較用セメント組成物を調製した。
(コンクリートの形成)上記3種の比較用セメント組成物と細骨材、粗骨材、水、市販のAE剤(前出)及び市販の減水剤(前出)とを用い、配合量を、表3に示す通り種々変更し、常法に従ってコンクリートとして、3種の比較品を得た。

0042

なお、上記比較品は、コンクリート打込み後、24時間霧室養生して脱型し、所定の材令(7日、28日、91日、 180日)まで20℃水中養生を行った。上記3種の比較品のそれぞれについて、実施例10〜17と同様にして求めた圧縮強度値を表3に示した。

0043

比較例8
セメント用混和材料を用いず、セメント264Kg/m3 、細骨材821Kg/m3 、粗骨材1062Kg/m3 及び水 132Kg/m3 の配合で、水:セメントの重量比50%によって、常法に従ってコンクリートとして、比較品を得た。

0044

なお、比較品は、コンクリート打込み後、1日で脱型し、所定の材令(7日、28日、91日、 180日)まで20℃で水中養生を行った。実施例1〜9と同様にして求めた上記比較品の圧縮強度値を表3に示した。

0045

なお、実施例10〜22の各コンクリートと比較例8のコンクリートとの凍結融解抵抗性並びに乾燥収縮性とを測定した結果、各コンクリート間には殆んど差がなかった。
(考察)前記実施例10〜22及び比較例2〜8から、組成が異なるパルプスラッジ焼却灰を用いても、その粉末度が約 10000cm2/g 近傍のものであれば、セメントの10〜30重量%を代替しても、セメント単独の場合とほぼ同等の強度をもち、実用できるコンクリートが形成できることが確認できる。

発明の効果

0046

本発明によれば、廃棄(埋立)用地や環境保全の点で問題視されているパルプ製造工程又は製紙工程において生じるパルプスラッジ焼却灰の有効利用を図ることができる。

0047

即ち、本発明によれば、上記パルプスラッジ焼却灰を、ワーカビリティの低下やモルタル又はコンクリートの強度低下を殆んど招くことがないセメント用混和材料として定常性と安定性とをもって実用することが可能となる。

0048

そして、本発明においては、上記パルプスラッジ焼却灰が所定の粉末度であればそのままセメント用混和材料として用いることができると共に、所定の粉末度でない場合にも、単に粉砕して所定の粉末度とするだけでセメント用混和材料として用いることができる。

0049

従って、わが国におけるセメント使用量からすれば、その一部(例えば20重量%)を本発明に係るセメント用混和材料によって代替した場合にもたらされる経済的効果は極めて顕著なものがあるといえる。

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