JP4164242B2

JP4164242B2 - セメント組成物

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Publication number: JP4164242B2
Application number: JP2001064517A
Authority: JP
Inventors: 秀幸菅谷; 健一本間; 牧彦市川; 清鯉淵; 博之山口
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp; DC Co Ltd
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; DC Co Ltd
Priority date: 2001-03-08
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2021-03-08
Also published as: JP2002265242A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セメント組成物に関し、特に、リン含有量の高い廃棄物を含む原料を焼成して得られるセメントクリンカ（以下“本発明のセメントクリンカ”という）から製造されるセメント組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、都市ゴミの焼却灰、下水汚泥及び該汚泥の焼却灰、並びに製鋼過程で生ずるスラグなどの産業副産物（以下、これらを総称して“廃棄物”という）は、増加の一途であり、その有効利用および再資源化が社会的に注目されている。
その再資源化の具体策として、廃棄物をポルトランドセメントの製造用原料に利用することが研究されている。
【０００３】
セメント工業において、上記廃棄物を原料として用いた場合、焼成過程において、廃棄物に多量に含まれているリン化合物（一般的に、Ｐ₂Ｏ₅換算で０．３〜３０質量％含まれている）の大半は、セメントクリンカ中に残存する。
そして、該クリンカ中のリン含有量が多いほど、セメントの圧縮強度に著しく悪い影響を与えることが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、普通ポルトランドセメントクリンカのＰ₂Ｏ₅含有量は、多くても０．３質量％程度、大部分のポルトランドセメントクリンカは０．１〜０．２質量％である。
その程度の含有量では、セメントの特性、特に圧縮強度への影響は殆ど無視できるものであった。
【０００５】
しかし、前記廃棄物を原料に使用した場合、上記クリンカ中のＰ₂Ｏ₅含有量が１．０質量％に達することも稀ではない。
そのために、圧縮強度が著しく低下する。
例えば、上記のような高Ｐ₂Ｏ₅含有量のクリンカから製造されたセメントは、廃棄物を使用しない場合の圧縮強度（材齢７日）に比べ、Ｐ₂Ｏ₅含有量が０．５質量％のときの該強度は８９％、０．８質量％のとき７９％、１．０質量％のとき７４％、１．３質量％のとき５９％というように、圧縮強度が急激に低下する、という問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、高リン含有量であっても、圧縮強度の低下割合が改良されたセメント組成物を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ｐ₂Ｏ₅含有量が特定の範囲にあるセメントクリンカは、水硬率（ＨＭ）、ケイ酸率（ＳＭ）およびＭｇＯ含有量の３特性の組合せによって強度低下の割合が小さくなることを見出だし、それら特性の範囲を特定し、これにより、上記の目的を達成することができるものである。
【０００８】
すなわち、本発明に係るセメント組成物は、「リン含有量の高い廃棄物を含むセメントクリンカ用原料を焼成して得られるＰ₂Ｏ₅含有量が０．３〜２．５質量％のセメントクリンカであって、
・水硬率（ＨＭ）が１．９３〜２．１５、
・ケイ酸率（ＳＭ）が１．３〜２．２であり、かつ、
・ＭｇＯ含有量が１．０〜５．０質量％である、
セメントクリンカに、総ＳＯ ₃ 量が１．５〜４．０質量％となるように石膏を配合してなる」（請求項１）
ことを要旨とする。
【０００９】
また、本発明に係るセメント組成物は、
・廃棄物が下水汚泥、下水汚泥焼却物、都市ゴミ焼却灰および製鋼スラグから選ばれる１種以上であること（請求項２）、および
・セメントクリンカ用原料として、石炭灰を使用すること（請求項３）、
を特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
まず、本発明のセメントクリンカについて説明する。
通常、廃棄物には、種々のリン化合物が含有されており、廃棄物の履歴によって含まれるリン化合物も、また、含有量も異なる。
例えば、下水汚泥に含まれるリン化合物と、熱処理後の下水汚泥焼却灰に含まれるリン化合物とは同一ではないし、また、それらのＰ₂Ｏ₅換算値も必ずしも一致しない。さらに、同種の廃棄物であっても、リン化合物の含有量が一定しないことの方が多い。
【００１２】
本発明のセメントクリンカは、従来使用されている原料のほかに、上記のようなリン化合物を含む廃棄物を添加した調合原料を焼成して製造されたＰ₂Ｏ₅（換算）を０．３〜２．５質量％含有するセメントクリンカに適用するものである。
【００１３】
セメントクリンカ中のＰ₂Ｏ₅含有量の範囲を限定した理由は、
・０．３質量％未満の場合、従来のセメントクリンカと変りないので、圧縮強度に対する影響がない。したがって、本発明のセメントクリンカは、０．３質量％以上の場合について適用するものである。
・２．５質量％を超える場合、水硬率（ＨＭ）、ケイ酸率（ＳＭ）およびＭｇＯ含有量が前述した範囲内に該当していても、特に、短期材齢での強度発現の低下が著しいので好ましくない。
【００１４】
そして、上記セメントクリンカは、
・水硬率（ＨＭ）；１．９３〜２．１５、好ましくは２．０〜２．１５、
・ケイ酸率（ＳＭ）；１．３〜２．２、かつ、
・ＭｇＯ；１．０〜５．０質量％
の範囲に調整されていることが重要である。
【００１５】
水硬率（ＨＭ）は、セメントクリンカの最も重要な化学的係数である。
その水硬率（ＨＭ）が
・２．１５を超える場合、ＭｇＯ含有量の多少に拘らず、強度低下の割合の改良が低くなるので、また、
・１．８未満の場合、Ｐ₂Ｏ₅含有量が多くなるにつれて、その低下割合の改良が小さくなるので、
いずれの場合も好ましくない。
【００１６】
次に、ケイ酸率（ＳＭ）について説明する。
ケイ酸率（ＳＭ）が
・２．４を超える場合、Ｐ₂Ｏ₅含有量が多いと、強度発現が低下するうえ、凝結遅延が生じる、
・１．３未満の場合、混練物の流動性が低下する上、水和発熱量が大きくなる、ことなど強度以外の各種特性にも悪影響が生じるので好ましくない。
【００１７】
ＭｇＯは、Ｐ₂Ｏ₅含有量が多い程、多量に含まれている方が強度低下を抑制する傾向にあり好ましい。例えば、下記のように含まれているのが好適である。
・Ｐ₂Ｏ₅含有量＜１．０質量％：ＭｇＯ＝１．０〜５．０質量％
・Ｐ₂Ｏ₅含有量＝１．０〜２．５質量％：ＭｇＯ＝２．０〜５．０質量％
【００１８】
ＭｇＯ含有量の限界点について説明する。
その含有量が５．０質量％を超えた場合（注）、
・セメント硬化体が膨張しやすく長期安定性を阻害する原因となる、
ことから好ましくない。
（注）一般のセメントについて、ＪＩＳＲ５２１０「ポルトランドセメント」には、セメント硬化体の膨張と長期安定性を主な理由として「ＭｇＯ含有量の上限；５．０質量％」と規定する。
【００１９】
・１．０質量％未満の場合、強度の低下割合の改良効果が小さく好ましくない。この場合、前述したように、水硬率（ＨＭ）を高くしても殆ど効果が見られない。
【００２０】
セメントクリンカの化学成分を特定する係数として上記のほかに、鉄率（ＩＭ）が知られている。
この鉄率（ＩＭ）について、本発明では、特に、限定しないが好ましい範囲は１．５〜１．８である。
【００２１】
本発明のセメントクリンカにおいて、リン含有量の高い廃棄物には、
・下水汚泥、およびその焼却灰、
・都市ゴミ焼却灰、
・製鋼過程で生じるスラグ（工業副産物）
などが挙げられる。
【００２２】
セメントクリンカは、次のようにして製造する。
使用する廃棄物は、そのリン化合物の含有量を考慮して、セメントクリンカ中のＰ₂Ｏ₅含有量が０．３〜２．５質量％になるように配合する。
水硬率（ＨＭ）およびケイ酸率（ＳＭ）の調整は、使用される廃棄物の成分も含め、従来から使用されているＣａＯ原料、ＳｉＯ₂原料、Ｆｅ₂Ｏ₃原料および必要に応じてＡｌ₂Ｏ₃原料を用いて行なう。
【００２３】
上記３原料は、具体的に、
・ＣａＯ原料；石灰石、生石灰、消石灰など、
・ＳｉＯ₂原料；珪石、粘土など、
・Ｆｅ₂Ｏ₃原料；鉄滓、鉄ケ−キなど、
・Ａｌ₂Ｏ₃原料；粘土など、
が使用できる。
【００２４】
なお、ＳｉＯ₂原料として、石炭灰（注）を使用することができる。
石炭灰は、火力発電所、各種工場などで石炭を燃焼したさい大量に発生するので、その有効活用という観点から好ましい。
（注）例えば、フライアッシュ、シンダ−アッシュ、ボトムアッシュ、クリンカアッシュなどである。
【００２５】
上記原料のほかにセメントクリンカ中のＭｇＯ含有量を１．０〜５．０質量％の範囲に調整するため、ＭｇＯ用原料を使用することができる。
ＭｇＯ用原料は、前記ＣａＯ原料、ＳｉＯ₂原料、Ｆｅ₂Ｏ₃原料、Ａｌ₂Ｏ₃原料および廃棄物を配合したさい、ＭｇＯ含有量が上記の範囲内にあれば、必ずしも使用しなくて良い。
ＭｇＯ用原料は、具体的に、酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、ドロマイト、蛇紋岩、スピネル、高炉スラグなどが挙げられる。
【００２６】
本発明のセメントクリンカは、前記Ｐ₂Ｏ₅含有量、水硬率（ＨＭ）、ケイ酸率（ＳＭ）およびＭｇＯ含有量が所定範囲内に入るように、各原料を配合・混合・粉砕し、焼成することによって製造される。
上記混合方法は、慣用の装置で行なえばよい。焼成方法も、慣用の装置（ポルトランドセメントクリンカの焼成に用いられるＮＳＰキルン、ＳＰキルンなど）で行なえばよい。これらについて、本発明は、特に限定するものではない。
【００２７】
次に、本発明に係るセメント組成物について説明する。
セメント組成物は、本発明のセメントクリンカに総ＳＯ₃量が１．５〜４．０質量％の範囲内に納まるように石こうを配合し、粉砕して製造されるものである。
【００２８】
総ＳＯ₃量が
・１．５質量％未満の場合；瞬結や流動性の低下が生じる
・４．０質量％を超える場合；強度低下の割合の改良効果が小さく、かつ、凝結遅延が生じる、
など、いずれの場合も好ましくない。
【００２９】
セメント組成物のブレ−ン比表面積は、３０００〜４５００ｃｍ²／ｇが好ましい。
【００３０】
使用される石こうは、２水・半水・無水石こうの１種またはそれらの混合物である。
【００３１】
セメント組成物の製造方法は、前記セメントクリンカおよび石こうを
・混合粉砕する方法、
・個別に粉砕し混合する方法
のいずれかの方法で慣用の設備を利用して行なう。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明を実施例により説明する。
１．使用原料
使用した原料（石灰石、粘土、珪石、鉄滓、下水汚泥焼却灰、ドロマイトおよび石炭灰）、および、それらの成分を表１に記載した。
なお、石こうの成分も同表に併記した。
【００３３】
【表１】

【００３４】
（実施例１〜７、比較例１〜５）
２．セメントクリンカの製造
前記原料を用いて、表２に示すＰ₂Ｏ₅含有量、水硬率（ＨＭ）、ケイ酸率（ＳＭ）およびＭｇＯ含有量となるように、慣用の方法で配合・混合して調合原料を造った。
各調合原料をＳＰロ−タリ−キルンを用い１４５０℃で焼成して、セメントクリンカを製造した。該クリンカの成分を同表に示した。
【００３５】
３．セメント組成物の製造と強度測定
各セメントクリンカに、表１に示す副産２水石こうを添加し混合粉砕して、表２に示す総ＳＯ₃量を有する試製セメント組成物（ブレ−ン比表面積；３２００±５０ｃｍ²／ｇ）を製造した。
【００３６】
各セメント組成物について、ＪＩＳＲ５２０１「セメントの物理試験方法」の『１０．強さ試験』」に準じて、材齢７日の圧縮強度を測定し、その結果を表２に示した。
なお、比較例１のセメント組成物は、普通ポルトランドセメントに相当し、その圧縮強度を基準値（１００）として試製セメント組成物の圧縮強度の割合（強度比）を同表に併記した。
【００３７】
【表２】

【００３８】
上記表２から、実施例１〜７の強度比は、比較例のそれらに比して高く、圧縮強度が改良されることが判明した。
【００３９】
また、セメントクリンカ中のＰ₂Ｏ₅含有量が過多の場合、強度比が著しく低下する点からその含有量に上限が存在すること（比較例５）、および、ＭｇＯの含有量が本発明で規定する規定の範囲外の場合、例えＰ₂Ｏ₅含有量、ＨＭ、ＳＭなどが規定内にあっても強度比が改良されないこと（実施例４と比較例４）が明らかになった。
【００４０】
さらに、比較例２、３から、セメント組成物の総ＳＯ₃含有量が特定の範囲内であれば、目的を達成できることも明らかになった。。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は、リン含有量の高い廃棄物を含むセメントクリンカ用原料から製造され、Ｐ₂Ｏ₅含有量が０．３〜２．５質量％のセメントクリンカであって、特定の化学的比率［水硬率（ＨＭ）およびケイ酸率（ＳＭ）］およびＭｇＯ含有量を特定の範囲に限定した、高リン含有量のセメントクリンカを用い、特定量の総ＳＯ₃量に調製されたセメント組成物であることを特徴とし、これにより、圧縮強度の低下割合を改良できる、という効果を奏する。
【００４２】
本発明は、リンによる弊害（強度低下）を軽減する手段が化学成分を調整による方法であるから、その実施が容易であり、かつ、廃棄物処理の促進ができる、という効果をも有している。

Claims

リン含有量の高い廃棄物を含むセメントクリンカ用原料を焼成して得られるＰ₂Ｏ₅含有量が０．３〜２．５質量％のセメントクリンカであって、水硬率（ＨＭ）が１．９３〜２．１５、ケイ酸率（ＳＭ）が１．３〜２．２であり、かつ、ＭｇＯ含有量が１．０〜５．０質量％であるセメントクリンカに、総ＳＯ ₃ 量が１．５〜４．０質量％となるように石膏を配合してなることを特徴とするセメント組成物。
前記セメントクリンカ用原料に含まれる廃棄物が下水汚泥、下水汚泥焼却物、都市ゴミ焼却灰および製鋼スラグから選ばれる１種以上であることを特徴とする請求項１に記載のセメント組成物。
前記セメントクリンカ用原料として、石炭灰を使用することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセメント組成物。