JP4585328B2 - 固化材組成物 - Google Patents

Description

本発明は、塩素バイパス装置を備えたセメント製造プラントにおいて回収される塩素バイパスダストを有効利用した固化材組成物に関するものである。

従来より、塩素バイパス装置を備えたセメント製造プラントにおいて回収された塩素バイパスダストの固化材への利用方法が検討されている。

例えば、特許文献１に示されるセメント原料焼成装置のように、塩素バイパス装置によってセメントキルン内の排ガスの一部を抽気した後、その排ガスに含まれる塩化アルカリ等の揮発性成分を系外で固化処理して、セメント原料焼成系内における塩化アルカリ等の量を低減させる技術がある。この塩素バイパス装置は、セメント原料焼成系内におけるコーチングトラブルを防止したり、セメントクリンカー中の塩素などを抜き出したりする目的で、セメントキルンに付加的に設置されている。

この塩素バイパス装置によって抽気されたガス成分は、集塵機を経て再びセメント原料系内に戻されたり大気中に放出されたりするが、窯尻で１０００℃以上の熱履歴を経たＫＣｌ等の塩化物やセメント原料の仮焼物とそれらの硫酸塩等から成る固形物が発生する。この固形物のことを塩素バイパスダストといい、水洗処理することにより塩基度を低減してスラッジ等にする場合もある。

また、特許文献２には、高炉スラグまたはフライアッシュを含むセメント９０質量％〜９９．７質量％と塩素バイパスダスト０．３質量％〜１０質量％からなるセメント組成物とその製造方法が開示されている。この製造方法によれば、塩素バイパスダストを混合することにより、材齢３日および７日の初期強度を増大させる効果があり、初期強度改善剤の欠点である材齢２８日強度の低下がないことが示されている。
特開平１０−３３０１３６号公報 特開平１０−２１８６５７号公報

本発明者らは、塩素バイパスダストの有効利用の一環として、塩素バイパスダストを添加した固化材組成物の開発を進めている。この分野では、塩素バイパスダストを含み、かつ、塩素バイパスダストを用いない固化材組成物と同等以上の強度発現性を有する固化材組成物が求められている。しかしながら、上記文献には、塩素バイパスダストを用いた固化材組成物は一切開示されていない。

そこで、本発明は、塩素バイパスダストを用いた、強度発現性に優れた固化材組成物を提供することを目的とする。

本発明者らは、固化材組成物における、塩素含有量と、高炉スラグ含有量と、ブレーン比表面積とがこの固化材組成物の強度発現性に及ぼす影響を鋭意研究した結果、これらが所定の範囲内の場合に強度発現性に優れた固化材組成物が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明に係る固化材組成物は、セメントクリンカーと、高炉スラグと、塩素を含有する塩素バイパスダストと、を組成成分とする固化材組成物である。そして、この固化材組成物における塩素含有量Ｘ質量％と、固化材組成物における高炉スラグ含有量Ｙ質量％と、固化材組成物のブレーン比表面積Ｚｃｍ^２／ｇとの関係が式（１）を満足する。
０＜Ｙ≦−４．３７５Ｘ＋３８．７５または５８３Ｘ＋２８３４≦Ｚ≦６０００…（１）

ここで、上記固化材組成物において、この固化材組成物における塩素含有量Ｘ質量％と、固化材組成物における高炉スラグ含有量Ｙ質量％と、固化材組成物のブレーン比表面積Ｚｃｍ^２／ｇとの関係が、さらに式（２）又は式（３）を満足することが好ましい。
０＜Ｘ≦２の場合、０＜Ｙ≦３０、または、４０００≦Ｚ≦６０００…（２）
２≦Ｘの場合、０＜Ｙ≦−４．３７５Ｘ＋３８．７５、または、５８３Ｘ＋２８３４≦Ｚ≦６０００…（３）

本発明に係る固化材組成物によれば、塩素バイパスダストを用いて、強度発現性に優れた固化材組成物を得ることができる。

以下、本発明に係るセメント系の固化材組成物の好適な実施形態について詳細に説明する。

本発明に係る固化材組成物は、セメントクリンカーと、高炉スラグと、石膏と、塩素バイパスダストとを含む。

セメントクリンカーとしては、例えば、普通ポルトランドセメントクリンカー及び早強ポルトランドセメントクリンカー等を挙げることができる。

高炉スラグは特に限定されないが、急冷砕されたものであることが好ましい。また、高炉スラグの塩基度は１．４以上であるものが好ましい。ここで塩基度とはＣａＯ含有量、ＭｇＯ含有量、Ａｌ_２Ｏ_５含有量の合計量をＳｉＯ_２量で割って算出される。なお、これらの含有量はＪＩＳ Ｒ ５２０２「ポルトランドセメントの化学分析方法」に準じて測定される。

石膏としては、例えば、天然石膏、排脱石膏及びフッ酸石膏等が挙げられ、これらの石膏形態は、二水石膏、半水石膏、無水石膏の何れの形態であっても良い。また、三酸化硫黄の含有量で表した石膏の固化材組成物中の含有量は、６質量％〜１５質量％が特に好ましい。この範囲を外れると強度発現性が低下し、多すぎると固化処理土の膨張破壊を生じる傾向がある。

塩素バイパスダストは、ＫＣｌ等の塩化物やセメント原料の仮焼物、それらの硫酸塩等から成る固形物である。この固化材組成物は、セメントキルン内の排ガスの一部を抽気する塩素バイパス装置から得られる。固化材組成物に用いる塩素バイパスダストは、水洗処理される前の固形物であっても良く、水洗処理されて塩素濃度が低減されたスラッジ等であってもよい。

固化材組成物は、さらに混合剤として、高炉スラグ以外の無機成分も適宜含むことができ、例えば、フライアッシュ、石灰石及びシリカフューム等が挙げられる。混合材の配合量は固化材組成物中の塩素含有量から決定される。塩素分は塩素バイパスダストに由来する。なお、固化材組成物中の塩素含有量はＪＩＳ Ｒ ５２０２「ポルトランドセメントの化学分析方法」に準じて測定される。

そして、本実施形態に係る固化材組成物は、固化材組成物における塩素含有量Ｘ質量％と、固化材組成物における高炉スラグ含有量Ｙ質量％と、固化材組成物のブレーン比表面積Ｚcm²/gとが、式（１）の関係を満足する。
０＜Ｙ≦−４．３７５Ｘ＋３８．７５または５８３Ｘ＋２８３４≦Ｚ≦６０００…（１）

塩素含有量Ｘ質量％と、高炉スラグ含有量Ｙ質量％と、ブレーン比表面積Ｚcm²/gが、式（１）を満足すると、固化材組成物を用いて固化処理された土壌の一軸圧縮強度が充分に確保される。ここで、ブレーン比表面積は、ＪＩＳ Ｒ ５２０１ 「セメントの物理試験方法」に準じて測定される。

ここで、本実施形態に係る固化材組成物は、固化材組成物における塩素含有量Ｘ質量％と、固化材組成物における高炉スラグ含有量Ｙ質量％と、固化材組成物のブレーン比表面積Ｚｃｍ^２／ｇとが、さらに式（２）又は式（３）の関係を満足することが好ましい。
０＜Ｘ≦２の場合、０＜Ｙ≦３０、または、４０００≦Ｚ≦６０００…（２）
２≦Ｘの場合、０＜Ｙ≦−４．３７５Ｘ＋３８．７５、または、５８３Ｘ＋２８３４≦Ｚ≦６０００…（３）

高炉スラグ含有量Ｙが０＜Ｙ≦３０であると、一般土の固化だけでなく高有機質土のような軟弱土の固化に優れる。また、ブレーン比表面積Ｚが４０００ｃｍ^２／ｇ以上であると固化物の強度発現性に優れ、ブレーン比表面積が６０００ｃｍ^２／ｇ以下であると固化材組成物の製造コストを抑制できる。

このような固化材組成物は、例えば、セメントクリンカー、高炉スラグ、石膏、及び、塩素バイパスダストを混合粉砕することによって製造することができる。ここで、各材料の配合量は、混合後の固化材組成物における塩素含有量Ｘ質量％、固化材組成物における高炉スラグ含有量Ｙ質量％、及び、固化材組成物のブレーン比表面積Ｚｃｍ^２／ｇが式（１）、又は、式（２）若しくは式（３）の組み合わせを満足するように、例えば、各材料の組成を測定しこの測定値に応じて設定したり、試行錯誤法により設定したりすればよい。

各材料の混合の順序は任意であり、例えば、セメントクリンカーと塩素バイパスダストとをあらかじめ混合した後にこの混合物に高炉スラグ等を後から添加しても良く、また、塩素パイパスダスト以外の材料をあらかじめ混合した後にこの混合物に塩素バイパスダストを混合しても良い。なお、塩素バイパスダストを用いた本発明に係る固化材組成物の製造は、塩素バイパス装置を備えたセメント製造プラントにおいて行うことが好ましい。

本発明の固化材組成物は、一般の固化材と同様に使用できる。すなわち、本固化材組成物と、処理対象土と、必要に応じた量の水と、を混合すればよい。固化材組成物の処理対象土との混合量は、対象土の含水比や土質、有機物の含有量などによって当然異なる。例えば、通常、対象土１ｍ^３あたりの固化材組成物の必要量は、砂質系の土で５０〜２００ｋｇ、粘土質系の土で５０〜３００ｋｇ、高含水土や高有機質土で１００〜５００ｋｇ程度の範囲で選択して使用する。

また、固化材組成物を使用して軟弱土の改良を行うにあたっては、固化材組成物を粉体のまま対象土と混合する乾式工法、あらかじめ固化材組成物と水とを混合してスラリー状とした後に土と混合する湿式工法などがあるが、本発明の固化材組成物はいずれの工法でも使用できる。

以下、実施例を用いて、本発明の内容をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

ここでは、あらかじめ混合された種々のセメント系固化材に対して、塩素バイパスダストを添加することにより、各種の固化材組成物を作成した。

[使用材料]
使用した材料を以下に示す。
（１）セメント系固化材Ａ〜Ｈ
宇部興産（株）製の早強ポルトランドセメントクリンカーと排脱石膏と高炉スラグとを、所定の割合で混合して仕上げミルで粉砕することによってセメント系固化材を製造した。セメント系固化材の製造条件を表１に示す。表１に示すように、Ａ〜Ｈの８種類のセメント系固化材を製造した。

ここで、早強ポルトランドセメントクリンカーはＣ_３Ｓの鉱物組成量が６９％のものを用いた。なお、早強ポルトランドセメントクリンカーのＣ_３Ｓの鉱物組成量は、ＪＩＳ Ｒ ５２０２「ポルトランドセメントの化学分析方法」に準じて化学成分を測定し、次のボーグ式により求めた。
Ｃ_３Ｓ量＝４．０７１×ＣａＯ量−７．６００×ＳｉＯ_２量−６．７１８×Ａｌ_２Ｏ_３量
−１．４３０×Ｆｅ_２Ｏ_３量−２．８５２×ＳＯ_３量

石膏の化学成分はＪＩＳ Ｒ ９１０１「セッコウの分析方法」に準じ、高炉スラグの化学成分はＪＩＳ Ｒ ５２０２「ポルトランドセメントの化学分析方法」に準じて測定した。

次に、早強ポルトランドセメントクリンカーと混合した石膏及び高炉スラグの化学成分を表２に示す。

（２）塩素バイパスダスト
セメント系固化材Ａ〜Ｈと混合する塩素バイパスダストとして、塩素含有量の異なるａ、ｂの２種類を用いた。各塩素バイパスダストａ、ｂの化学成分を表３に示す。なお、塩素バイパスダストの塩素含有量を除く化学成分はＪＩＳ Ｒ ８８５３「セラミックス用アルミノけい酸塩質原料の化学分析方法」に準じて測定した。塩素含有量はＪＩＳ Ｒ ５２０２「ポルトランドセメントの化学分析方法」に準じて測定した。

［固化材組成物の調製］
セメント系固化材Ａ〜Ｈのいずれかに、塩素バイパスダストａ，ｂのいずれかを所定割合添加して、塩素含有量Ｘ、高炉スラグ含有量Ｙ、ブレーン比表面積Ｚの組み合わせが互いに異なる参考例１〜７及び実施例１〜５の固化材組成物を作製した。ここで、参考例１〜７及び実施例１〜５は、塩素含有量Ｘ、高炉スラグ含有量Ｙ、及びブレーン比表面積Ｚの関係が上述の式（１）を満たし、さらに式（２）若しくは式（３）の組み合わせも満たしている。参考例１〜７及び実施例１〜５の固化材組成物の三酸化硫黄含有量、塩素含有量Ｘ、高炉スラグ含有量Ｙ、ブレーン比表面積Ｚ、について表４に示す。
また、比較例1として、塩素バイパスダストを含まない、すなわち、塩素含有量が０の固化材組成物を比較例１として製造した。さらに、塩素バイパスダストを含むもののＸ，Ｙ、Ｚが式（１）を満たさず、さらに式（２）又は式（３）の組み合わせも満たさない固化材組成物を比較例２〜７として製造した。比較例１〜７の固化材組成物の三酸化硫黄含有量、塩素含有量Ｘ、高炉スラグ含有量Ｙ、ブレーン比表面積Ｚを表４に示す。

［土壌固化処理試験とその評価］
含水比９３．６質量％、湿潤密度１．４２５ｇ／ｃｍ^３の対象土としての黒ぼくと、上記方法で調製した各固化材組成物を２００ｋｇ／ｍ^３混合した場合について、養生期間７日での一軸圧縮強さを測定した。ここで、対象土の含水比はＪＩＳ Ａ １２０３「土の含水量試験方法」に準じ、湿潤密度はＪＩＳ Ａ １２０２「土粒子の密度試験方法」に準じ測定した。また一軸圧縮強さは、対象土と所定量の固化材組成物を混合し、ホバートミキサーで５分間混練し、径５ｃｍ×長さ１０ｃｍの供試体を作製した。 供試体は７日間２０℃で密封養生した後、ＪＩＳ Ａ １２１６「土の一軸圧縮試験方法」に準じ、一軸圧縮強さを測定した。その結果を表４に示す。
また、一軸圧縮強さについて、塩素含有量が０．００質量％である比較例１を基準とし、その基準の一軸圧縮強さに対する一軸圧縮強さ変化の比率（百分率）を各実施例、参考例及び比較例について示した。そして、一軸圧縮強さ変化比が９５％以上となる場合を良好（○）、一軸圧縮強さ変化比が９５％未満となる場合を不良（×）と判定した。
また、水／固化材組成物比６０％のスラリーを調整し、共軸二重円筒型回転粘度計(Ｈａａｋｅ社製Ｒｏｔｏｖｉｓｃｏ ＲＶ１)を用いて、剪断速度（γ_１００）が１００ｓ^−１における剪断応力(τ_１００)を測定し、次式から見掛け粘度(η_ａ)を算出した。
η_ａ＝τ_１００／γ_１００
なお、剪断応力（τ_１００）の測定は、スラリー調整し１５分後で、スラリー温度は３５℃とした。

表４における判定結果に基づいて、ブレーン比表面積Ｚが４０００ｃｍ^２／ｇのときの塩素含有量Ｘ質量%と高炉スラグ含有量Ｙ質量%との関係を図１に、高炉スラグ含有量Ｙが３０質量％のときの塩素含有量Ｘ質量%とブレーン比表面積Ｚcm²/gとの関係を図２に示す。

本実施例、参考例及び比較例によれば、例えば、図１及び図２における参考例１〜３，５〜７及び実施例２，５のように、式（１）、又は、式（２）若しくは式（３）の組み合わせを満たせば、一軸圧縮強さ変化比は９５％以上となることが分かった。
また、式（１）、又は、式（２）若しくは式（３）の組み合わせの範囲内では、固化材組成物のスラリーの流動性は実用上問題ない流動性を示した。

本発明によれば、塩素バイパスダストを用いた強度発現性に優れた固化材組成物が実現するので、塩素バイパスダストの利用拡大を図ることができる。

図１は、ブレーン比表面積が４０００ｃｍ^２/ｇの場合の、塩素量と高炉スラグ量、及び一軸圧縮強さ試験の判定結果との関係を示すグラフである。 図２は、高炉スラグ量が３０質量％の場合の、塩素量とブレーン比表面積、及び一軸圧縮強さ試験の判定結果との関係を示すグラフである。

Claims (6)

1. セメントクリンカーと、高炉スラグと、塩素を含有する塩素バイパスダストとを組成成分とする固化材組成物であって、
   前記固化材組成物における塩素含有量Ｘ質量％と、前記固化材組成物における高炉スラグ含有量Ｙ質量％とが、下記の式（Ａ）〜（Ｃ）を満足する、固化材組成物。
   ０＜Ｙ≦−４．３７５Ｘ＋３８．７５…（Ａ）
   ３．４３≦Ｘ≦５．１４…（Ｂ）
   １５≦Ｙ≦２０…（Ｃ）
2. セメントクリンカーと、高炉スラグと、塩素を含有する塩素バイパスダストとを組成成分とする固化材組成物であって、
   前記固化材組成物における塩素含有量Ｘ質量％と、前記固化材組成物のブレーン比表面積Ｚｃｍ ^２ ／ｇとが、下記の式（Ｄ）〜（Ｆ）を満足する、固化材組成物。
   ５８３Ｘ＋２８３４≦Ｚ≦６０００…（Ｄ）
   ３．４３≦Ｘ≦５．１４…（Ｅ）
   ５０００≦Ｚ≦６０００…（Ｆ）
3. セメントクリンカーと、高炉スラグと、塩素を含有する塩素バイパスダストとを組成成分とする固化材組成物を、高有機質土１ｍ ^３ あたり１００ｋｇ〜５００ｋｇ混合して、軟弱土の改良を行う方法であって、
   前記固化材組成物における塩素含有量Ｘ質量％と、前記固化材組成物における高炉スラグ含有量Ｙ質量％とが、下記の式（Ａ）〜（Ｃ）を満足する、方法。
   ０＜Ｙ≦−４．３７５Ｘ＋３８．７５…（Ａ）
   ３．４３≦Ｘ≦５．１４…（Ｂ）
   １５≦Ｙ≦２０…（Ｃ）
4. セメントクリンカーと、高炉スラグと、塩素を含有する塩素バイパスダストとを組成成分とする固化材組成物を、高有機質土１ｍ ^３ あたり１００ｋｇ〜５００ｋｇ混合して、軟弱土の改良を行う方法であって、
   前記固化材組成物における塩素含有量Ｘ質量％と、前記固化材組成物のブレーン比表面積Ｚｃｍ ^２ ／ｇとが、下記の式（Ｄ）〜（Ｆ）を満足する、方法。
   ５８３Ｘ＋２８３４≦Ｚ≦６０００…（Ｄ）
   ３．４３≦Ｘ≦５．１４…（Ｅ）
   ５０００≦Ｚ≦６０００…（Ｆ）
5. セメントクリンカーと、高炉スラグと、塩素を含有する塩素バイパスダストとを混合粉砕することによって、前記セメントクリンカーと、前記高炉スラグと、前記塩素バイパスダストとを組成成分とする固化材組成物を製造する方法であって、
   前記固化材組成物における塩素含有量Ｘ質量％と、前記固化材組成物における高炉スラグ含有量Ｙ質量％とが、下記の式（Ａ）〜（Ｃ）を満足する、固化材組成物の製造方法。
   ０＜Ｙ≦−４．３７５Ｘ＋３８．７５…（Ａ）
   ３．４３≦Ｘ≦５．１４…（Ｂ）
   １５≦Ｙ≦２０…（Ｃ）
6. セメントクリンカーと、高炉スラグと、塩素を含有する塩素バイパスダストとを混合粉砕することによって、前記セメントクリンカーと、前記高炉スラグと、前記塩素バイパスダストとを組成成分とする固化材組成物を製造する方法であって、
   前記固化材組成物における塩素含有量Ｘ質量％と、前記固化材組成物のブレーン比表面積Ｚｃｍ ^２ ／ｇとが、下記の式（Ｄ）〜（Ｆ）を満足する、固化材組成物の製造方法。
   ５８３Ｘ＋２８３４≦Ｚ≦６０００…（Ｄ）
   ３．４３≦Ｘ≦５．１４…（Ｅ）
   ５０００≦Ｚ≦６０００…（Ｆ）
   

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