JP2020152580A - セメントクリンカーの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 従来からあるポルトランドセメントクリンカーと鉄含有量を同等とすることにより、同等の温度で焼成できるため製造コストの上昇を抑えた上で、セメントの明度を高くすることができるセメントクリンカーの製造方法を提供する。【解決手段】 鉄源を含む原料を1400℃〜1500℃で焼成後に冷却する工程を含む、ボーグ式により算出されるC4AFを8〜14%含むポルトランドセメントクリンカーの製造方法において、少なくとも1400℃から1300℃までの冷却を20℃当たり1分以上かけて徐冷することにより、明度の高いセメントクリンカーが得られる。徐冷は、より低温まで行うことにより明度が高くなる傾向が強いが、1000℃以降では効果がなくなるため、少なくとも1000℃以降は急冷して生産性を上げる。【選択図】 なし
Description
本発明は明度の高いセメントクリンカーの製造方法に係る。
近年ヒートアイランド現象による都市部の温度上昇が問題となっている。その原因の一つとして建築や舗装等の用途に使用されているコンクリートは明度が低く太陽光からの熱を吸収しやすいという性質がある。これに対し高反射塗料をコンクリートに塗布する等の対策が知られているが高コストや作業量が増大する等の問題がある。そのため、より明度の高いセメントが求められている。従来、高明度のコンクリートを得る方法としては白色ポルトランドセメントを使用する方法や重質炭酸カルシウム微粉末を添加する方法(特許文献1参照)が知られている。
ところで、ポルトランドセメントクリンカーの着色は、含有される鉄成分に由来する部分が大きい。そのため、上記白色ポルトランドセメントでは、鉄含有量を大幅に減らしている。
しかしながら、ポルトランドセメントクリンカーにおける鉄成分は、製造の際の焼成温度を低くできる効果を有するため、当該鉄含有量を減らすことは焼成温度を高くすることにつながり、コスト等の点で著しく不利である。
また添加物の使用はモルタル、コンクリート混錬調整時の工程が増加し作業が煩雑になるという問題がある。そこで本発明では鉄含有量を同等にし、製造コストの上昇を抑えた上で、セメントの明度を高くすることができるセメントクリンカーの製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは上記課題を解決するため、鋭意検討を進め、クリンカー焼成時の温度、特に冷却時の降下温度および時間を制御することにより、容易にセメントクリンカーの明度を向上できることを見出し、本発明の完成に至った。
即ち本発明は、鉄源を含む原料を1400℃〜1500℃で焼成後に冷却する工程を含む、ボーグ式により算出されるC4AFを8〜14%含むポルトランドセメントクリンカーの製造方法であって、少なくとも1400℃から1300℃までの冷却を、20℃当たり1分以上かけて行うと共に、1000℃以降では急冷することを特徴とするポルトランドセメントクリンカーの製造方法である。
本発明によれば従来のポルトランドセメントクリンカーと同一の原料および配合にて製造可能であり、かつ容易にセメントクリンカーの明度向上が可能となる。
本発明において、ポルトランドセメントクリンカー(以下、「セメントクリンカー」という)のC3S、C2S、C3AおよびC4AF量は、ボーグ(Bogue)式によって求められるものである。
ボーグ式は、係数・諸比率とならんで利用され、主要化学分析値を用いておよその主要化合物組成を算出する計算式であり、当業者には周知の式であるが、念のため、以下にボーグ式によるクリンカー中の各鉱物量の求め方を記しておく。
C3S量 = (4.07×CaO)―(7.60×SiO2)―(6.72×Al2O3)―(1.43×Fe2O3)
C2S量 = (2.87×SiO2)―(0.754×C3S)
C3A量 = (2.65×Al2O3)―(1.69×Fe2O3)
C4AF量 = 3.04×Fe2O3
C2S量 = (2.87×SiO2)―(0.754×C3S)
C3A量 = (2.65×Al2O3)―(1.69×Fe2O3)
C4AF量 = 3.04×Fe2O3
また水硬率(H.M.)ケイ率(S.M.)、鉄率(I.M.)は、活動係数(A.I.)および石灰飽和度(L.S.D.)とならんで、主要化学成分値を用いて求められ、クリンカー製造管理のための特性値として、回数・諸比率の一つとして利用されており、当業者には周知の係数であるが、念のため、以下に当該鉄率の計算方法を他の係数値と併せて記しておく。
水硬率(H.M.) = CaO/(SiO2+Al2O3+Fe2O3)
ケイ酸率(S.M.) = SiO2/(Al2O3+Fe2O3)
鉄率(I.M.) = Al2O3/Fe2O3
活動係数(A.I.) = SiO2/Al2O3
石灰飽和度(L.S.D.) = CaO/(2.8×SiO2+1.2×Al2O3+0.65×Fe2O3)
ケイ酸率(S.M.) = SiO2/(Al2O3+Fe2O3)
鉄率(I.M.) = Al2O3/Fe2O3
活動係数(A.I.) = SiO2/Al2O3
石灰飽和度(L.S.D.) = CaO/(2.8×SiO2+1.2×Al2O3+0.65×Fe2O3)
なお、上記中の「CaO」、「SiO2」、「Al2O3」および「Fe2O3」は、それぞれJIS R 5202「ポルトランドセメントの化学分析法」やJIS R 5204「セメントの蛍光X線分析法」などに準拠した方法により測定できる。
水硬率、ケイ酸率及び鉄率は特に限定されるものではないが、各種物性のバランスに優れたものとするために、水硬率は好ましくは1.8〜2.5、特に好ましくは1.9〜2.3であり、ケイ酸率は好ましくは2.0〜3.0、特に好ましくは2.2〜2.7であり、また鉄率は好ましくは1.5〜2.0、特に好ましくは1.6〜1.9 である。
本発明で製造するセメントクリンカーは上記C4AFの割合が8〜14%である。C4AFが7%以下であると易焼成が低下し、焼成時により高い温度が必要となる。また15%を超えると鉄元素由来の色調が強く表れ、本発明を適用してもセメントクリンカーの明度が低下してしまう。C4AFの割合は、好ましくは8〜12%である。
本発明で製造するセメントクリンカーにおいて、C4AF以外の3鉱物、即ち、C3S、C2S及びC3Aは、一般的なポルトランドセメントクリンカーの範囲にあれば良く、具体的には、C3Sが40〜75%程度、C2Sは5〜25%程度、及びC3Aは3〜15%程度である。
本発明においては上記のようなセメントクリンカーを製造するが、その原料としては、当然に鉄源が必要である。鉄源としては、セメントクリンカー製造の原料として公知の鉄源が制限なく使用でき、具体的には、銅からみ、硫化鉄鉱からみ等が挙げられる。
鉄源以外の原料も、セメントクリンカー製造の原料として公知の原料が制限なく使用でき、具体的には、石灰石、生石灰、消石灰等のCaO源、珪石等のSiO2源、粘土等のAl3O2源が挙げられる。なお、例えば石灰石にも微量の鉄が含まれる場合があり、当然に製造されるセメントクリンカーに移行することになるが、本発明において鉄源とは、全質量中、鉄の含有率が、酸化物換算で10質量%以上の原料を言うものとする。
本発明の製造方法において廃棄物、副産物等を利用することも無論可能である。廃棄物、副産物等から一種以上の廃棄物を使用することは、廃棄物、副産物等の有効利用を促進する観点から好ましいことである。使用可能な廃棄物・副産物をより具体的に例示すると、高炉スラグ、製鋼スラグ、非鉄鉱滓、石炭灰、下水汚泥、浄水汚泥、製紙スラッジ、建設発生土、鋳物砂、ばいじん、焼却飛灰、溶融飛灰、塩素バイパスダスト、木屑、廃白土、ボタ、廃タイヤ、貝殻、都市ごみやその焼却灰等が挙げられる(なお、これらの中には、セメント原料になるとともに熱エネルギー源となるものもある)。
本発明の製造方法において、上記のような原料を焼成しセメントクリンカーとする方法は特に限定されることがなく、公知のセメント原料を、各鉱物比率及び係数となるように所定の割合で調製混合し、公知の焼成装置(セメントキルン、電気炉等)を用いて焼成することができる。
焼成温度は1400〜1500℃である。1400℃を下回ると鉱物の生成が十分ではなく強度発現性(例えば圧縮強さ等)が低下する。1500℃を超える高温ではより大きな冷却能力の装置が必要となり製造コストの観点から不利となる。
本発明で最も重要なことは、上記のようにして焼成したポルトランドセメントクリンカーの焼成後の冷却に際し、少なくとも1400℃から1300℃までの冷却を20℃あたり1分以上の時間をかけて行うことである(以下、「徐冷」という場合がある)。
従来の標準的なセメントクリンカーの製造方法においては、セメント原料は焼成装置により焼成温度1450℃付近で所定の時間焼成後、ただちにクリンカクーラーと呼ばれる冷却装置(送風機、散水機等)により、通常は100℃/分以上の冷却速度で200℃付近まで急冷される。
これに対し、本発明の製造方法においてはポルトランドセメントクリンカー焼成後に、上記の通り1400から1300℃、最大で1000℃までの温度降下が20℃あたり1分以上となるように冷却する。このような徐冷を経て製造されたポルトランドセメントクリンカーは、同温度範囲を急冷して製造した従来のポルトランドセメントクリンカーに比べて、明度(Lab表色系でのL値)が大幅に高くなる(明るくなる)。
この理由は定かではないが、焼成により生成したクリンカー鉱物結晶が緩やかな温度降下により相転移したことが要因であると推察する。
一方、本発明者等の検討によれば、1000℃未満の温度域においては徐冷による明度向上の効果は見られない。一方で、1000℃以降でも徐冷を行うと、ポルトランドセメントクリンカーの製造に著しい時間が必要となってしまい、生産性に問題を生じる。従って、本発明においては、1000℃以降では、従来技術と同様にして急冷を行うものである。
1000℃までであれば急冷を開始する温度が低いほど明度は高くなる傾向になるが、一方で上記の通り生産性が低下してしまうため、両因子を適宜勘案して冷却速度の切り替え温度を、1300℃から1000℃の範囲から選択して設定すればよい。
上記本発明の製造方法で製造されたセメントクリンカーは、従来公知のセメントクリンカーと同様、セッコウと共に粉砕または個別に粉砕した後、混合することにより、セメントとすることができる。当該セメントとしては、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメントが挙げられる。またポルトランドセメントとする以外にも、各種混合セメントや、土壌固化材等の固化材の構成成分として使用することも可能である。
セッコウを加えてセメントとする場合、使用するセッコウについては、二水セッコウ、半水セッコウ、無水セッコウ等のセメント製造原料として公知のセッコウが特に制限なく使用できる。セッコウの添加量は、ポルトランドセメントの場合、そのなかのSO3量が1.5〜5.0質量%となるように添加することが好ましく、1.8〜3質量%となるような添加量がより好ましい。上記セメントクリンカーおよびセッコウの粉砕方法については、公知の技術が特に制限なく使用できる。
また、当該セメントには、高炉スラグ、シリカ質混合材、フライアッシュ、炭酸カルシウム、石灰石等の混合材や粉砕助剤を適宜添加して混合粉砕するか、粉砕後に混合材と混合してもよい。また塩素バイパスダスト等を混合してもよい。
セメントの粉末度は、特に制限されないが、セメント混錬時のハンドリング、強度発現性の観点から、ブレーン比表面積で2800〜4500cm2/gに調整されることが好ましい。
このようにして得られたポルトランドセメントは、JIS規格のセメント(特に普通ポルトランドセメント)とできるが、その明度(L値)が51以上となり、前述したように急冷開始温度を低くすれば明度を53以上、さらには54以上とすることも可能である。一方、多くは60以下となる。
なお一般に、ブレーン比表面積は大きいほど明度が高くなる傾向にあるが、細かく粉砕することは製造コスト等の点で好ましくない。また、石灰石等の混合材は一般に白色度が高く、セメントに混合するとその明度が向上するが、JIS規格においては混合量の上限が5%であり、この程度の混合量では、従来からあるセメントクリンカーに混合しても上記のような明度を得ることはできなかったものである。
即ち、C4AF含有量が8〜14%と多く、ブレーン比表面積が2800〜4500cm2/gの範囲にあるJIS規格のセメントであって、Lab表色系でのL値が51以上であるポルトランドセメントは、本発明の製造方法により始めて製造が可能になったものである。
このようなセメントは、従来の製造方法で得られるセメントより明度が高いため、太陽光等の反射性において優れている。
また、本発明の製造方法で製造したセメントクリンカーは、さらに必要に応じ、粉砕後に高炉スラグ、フライアッシュ等を混合し、高炉スラグセメント、フライアッシュセメント等にすることも可能である。
以下、実施例により本発明の構成及び効果を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
焼成後に表1記載の鉱物組成となるように石灰石、珪石、石炭灰、鉄カラミを所定量混合し、原料調合を行なった。これを1450℃で電気炉にて焼成後、各実施例、比較例所定の方法にて冷却を行いセメントクリンカーを得た。得られたセメントクリンカーにSO3量換算で2質量%となるようにセッコウを添加し、ブレーン比表面積が3200±50cm2/gとなるようにボールミルにより粉砕をおこない試製セメントを得た。得られた試製セメントの色調を分光色差計によって測定した。各試製セメントの鉱物組成や製造条件、色調の測定結果を表に示す。
比較例1は従来からある標準的な組成のセメントクリンカーを、その焼成温度である1450℃から、一般的な冷却速度である100℃/分を超える速度で急冷した結果を示す例である(徐冷なし)。
実施例1、2は本発明に係るものであり、1450℃での焼成後に、1300℃又は1200℃まで20℃あたり1分の降温速度で冷却を行い、その後、電気炉から取り出し、室温において送風急冷をおこなっている。比較例1に比べて、大幅に明度が高い。
比較例2、3は比較例1で作製したセメントに対し明度調整として平均粒径17.6μmの重質炭酸カルシウム微粉末を2質量%又は5質量%添加混合した場合の結果である。
重質炭酸カルシウム微粉末の添加により明度は高くなるが、それよりもなお、本発明の製造方法で製造したセメントの方が明度が大きいことがわかる。
Claims (4)
- 鉄源を含む原料を1400℃〜1500℃で焼成後に冷却する工程を含む、ボーグ式により算出されるC4AFを8〜14%含むポルトランドセメントクリンカーの製造方法であって、少なくとも1400℃から1300℃までの冷却を、20℃当たり1分以上かけて行うと共に、1000℃以降では急冷することを特徴とするポルトランドセメントクリンカーの製造方法。
- 請求項1記載の方法でポルトランドセメントクリンカーを製造し、該ポルトランドセメントクリンカーを石膏と共に粉砕するか、或いは粉砕後に石膏と混合するポルトランドセメントの製造方法。
- 更に、高炉スラグ、石灰石、フライアッシュ及び/又はシリカ質混合材を混合する請求項2記載のポルトランドセメントの製造方法。
- ボーグ式により算出されるC4AF含有量が8〜14%、ブレーン比表面積が2800〜4500cm2/g、Lab表色系でのL値が51以上であるポルトランドセメント。
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JP2009084105A (ja) * | 2007-09-28 | 2009-04-23 | Sumitomo Osaka Cement Co Ltd | セメントクリンカー及びその製造方法 |
JP2014162702A (ja) * | 2013-02-27 | 2014-09-08 | Taiheiyo Cement Corp | セメント及びその明度の調整方法 |
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