JP7502891B2 - Cement composition and method for producing the cement composition - Google Patents
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Description
本発明は、セメントクリンカ粉末、石膏粉末及び銅スラグ粉末を含むセメント組成物、並びに、このセメント組成物の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a cement composition containing cement clinker powder, gypsum powder and copper slag powder, and a method for producing this cement composition.
銅スラグは、銅製錬所において副産物として年間約300t発生している。銅スラグは、高い鉄含有率及び密度を有することから、セメントクリンカ製造用の鉄原料や重量コンクリートの骨材として使用されている。一方、下記特許文献１に記載の技術のように、銅スラグを粉砕して銅スラグ粉末をセメント組成物の混合材やコンクリートの混和材として使用することも期待されている。
Approximately 300 tons of copper slag is generated annually as a by-product at copper smelters. Because of its high iron content and density, copper slag is used as an iron raw material for cement clinker production and as an aggregate for heavy concrete. On the other hand, as with the technology described in
しかし、銅スラグ粉末をセメント組成物の混合材やコンクリートの混和材として使用すると、このセメント組成物から製造するセメント混練物の強度が銅スラグ粉末によって低下するおそれがある。つまり、セメント組成物に銅スラグ粉末が含まれると、セメント組成物の強度発現性が銅スラグ粉末によって低下するおそれがある。 However, when copper slag powder is used as an admixture for cement compositions or as an admixture for concrete, the strength of the cement mixture produced from the cement composition may be reduced by the copper slag powder. In other words, when copper slag powder is contained in a cement composition, the strength development of the cement composition may be reduced by the copper slag powder.
本発明者は、種々の研究を重ねた結果、銅スラグ粉末の比表面積を所定の範囲とすることにより、それを含むセメント組成物の強度発現性の低下を抑制できるという知見を得た。本発明は、この知見に基づいてなされたもので、銅スラグ粉末を含むにもかかわらず強度発現性が高いセメント組成物を提供することを目的とする。 As a result of extensive research, the inventors discovered that by setting the specific surface area of copper slag powder within a certain range, it is possible to suppress a decrease in the strength development of a cement composition containing it. The present invention was made based on this discovery, and aims to provide a cement composition that has high strength development despite containing copper slag powder.
本発明の第一項目は、セメントクリンカ粉末、石膏粉末及び銅スラグ粉末を含むセメント組成物に係るものである。前記銅スラグ粉末の比表面積は4000cm2/g以上8000cm2/g以下である。 The first aspect of the present invention relates to a cement composition comprising cement clinker powder, gypsum powder and copper slag powder, the specific surface area of which is 4000 cm 2 /g or more and 8000 cm 2 /g or less.
上記第一項目によれば、上記第一項目に係るセメント組成物を水と混練すると、セメントクリンカ粉末及び石膏粉末により形成された隙間が銅スラグ粉末により効率よく充填され、セメントクリンカ粉末、石膏粉末及び銅スラグ粉末が互いに密着した状態でセメントクリンカ粉末及び石膏粉末が水和するため、セメントクリンカ粉末及び石膏粉末の水和が促進されて高い強度を有するセメント混練物を製造することができる。このように、上記第一項目によれば、銅スラグ粉末を含むにもかかわらず強度発現性が高いセメント組成物を提供することができる。 According to the first item above, when the cement composition according to the first item above is mixed with water, the gaps formed by the cement clinker powder and the gypsum powder are efficiently filled with the copper slag powder, and the cement clinker powder and the gypsum powder are hydrated in a state where the cement clinker powder, the gypsum powder, and the copper slag powder are in close contact with each other, so that the hydration of the cement clinker powder and the gypsum powder is promoted, and a cement mixture having high strength can be produced. Thus, according to the first item above, a cement composition having high strength development despite containing copper slag powder can be provided.
本発明の第二項目においては、上記第一項目における前記銅スラグ粉末のメディアン径が3.5μｍ以上7μｍ以下であり、上記第一項目における前記銅スラグ粉末の均等数が2.1以上3.5以下である。本発明の第三項目においては、上記第一項目又は上記第二項目における前記銅スラグ粉末において、10μｍのふるいを通過する粒子の体積割合が85％以上であり、10μｍのふるいを通過して２μｍのふるいに残留する粒子の体積割合が80％以上95％以下である。 In the second item of the present invention, the median diameter of the copper slag powder in the first item above is 3.5 μm or more and 7 μm or less, and the uniform number of the copper slag powder in the first item above is 2.1 or more and 3.5 or less. In the third item of the present invention, in the copper slag powder in the first or second item above, the volume ratio of particles passing through a 10 μm sieve is 85% or more, and the volume ratio of particles passing through the 10 μm sieve and remaining on a 2 μm sieve is 80% or more and 95% or less.
上記第二項目及び上記第三項目に係るセメント組成物を水と混練すると、セメントクリンカ粉末及び石膏粉末により形成された隙間が銅スラグ粉末によりさらに効率よく充填されるため、さらに高い強度を有するセメント混練物を製造することができる。 When the cement compositions according to the second and third items above are mixed with water, the gaps formed by the cement clinker powder and gypsum powder are filled more efficiently with the copper slag powder, making it possible to produce a cement mixture with even higher strength.
本発明の第四項目に係るセメント組成物の製造方法は、銅スラグを粉砕して銅スラグ粉末を製造する粉砕工程と、セメントクリンカ粉末、石膏粉末及び前記銅スラグ粉末を混合する混合工程とを備える。前記粉砕工程において、前記銅スラグ粉末の比表面積を4000cm2/g以上8000cm2/g以下に調整する。 The method for producing a cement composition according to the fourth aspect of the present invention includes a grinding step of grinding copper slag to produce copper slag powder, and a mixing step of mixing cement clinker powder, gypsum powder, and the copper slag powder. In the grinding step, the specific surface area of the copper slag powder is adjusted to 4000 cm2 /g or more and 8000 cm2 /g or less.
上記第四項目によれば、上記第一項目と同様の効果を生じさせることができる。 The fourth item above can produce the same effect as the first item above.
本発明の第五項目は、上記第四項目の前記粉砕工程を次のように行うものである。ノズル、供給部及び粉砕部を備える粉砕装置において、（大気圧下よりも）圧縮された気体又は液体を前記ノズルから前記粉砕部に噴出すると共に前記銅スラグを前記供給部から前記粉砕部に供給することにより、前記気体又は前記液体の流れによって前記銅スラグ同士を衝突させて粉砕する。 The fifth aspect of the present invention is to carry out the pulverization step of the fourth aspect as follows. In a pulverization device equipped with a nozzle, a supply section, and a pulverization section, compressed gas or liquid (compared to atmospheric pressure) is ejected from the nozzle to the pulverization section, and the copper slag is supplied from the supply section to the pulverization section, so that the copper slag are pulverized by colliding with each other due to the flow of the gas or liquid.
上記第五項目によれば、銅スラグを短時間で細かく粉砕することができるため、銅スラグ粉末の比表面積を4000cm2/g以上8000cm2/g以下に容易に調整することができる。 According to the fifth aspect, since the copper slag can be finely pulverized in a short time, the specific surface area of the copper slag powder can be easily adjusted to 4000 cm 2 /g or more and 8000 cm 2 /g or less.
以上のように、本発明によれば、銅スラグ粉末を含むにもかかわらず強度発現性が高いセメント組成物を提供することができる。したがって、銅スラグをセメント混合材として有効に活用することができる。 As described above, the present invention can provide a cement composition that exhibits high strength development despite containing copper slag powder. Therefore, copper slag can be effectively used as a cement admixture.
図１は、本発明の一実施形態に係るセメント組成物を製造するセメント製造装置１を示す全体構成図である。図１に示すように、セメント製造装置１は、クリンカサイロ２、仕上ミル３、分級装置４、粉砕装置５、混合装置６及びセメントサイロ７を備える。
Figure 1 is an overall configuration diagram showing a
クリンカサイロ２は、セメント焼成装置（不図示）から排出されるセメントクリンカ（不図示）を貯蔵する。仕上ミル３は、クリンカサイロ２から排出されるセメントクリンカＣを石膏Ｇと共に粉砕して粉砕物Ｄを製造する。分級装置４は、仕上ミル３から排出される粉砕物Ｄを分級して粗粉Ｒと微粉Ｆとに分離する。粉砕装置５は、銅スラグＳ１を粉砕して銅スラグ粉末Ｓ２を製造する。混合装置６は、分級装置４から排出される微粉Ｆと粉砕装置５から排出される銅スラグ粉末Ｓ２とを混合して混合物Ｍを製造する。セメントサイロ７は、混合装置６から排出される混合物Ｍを貯蔵する。また、分級装置４は、粗粉Ｒを仕上ミル３に戻す。仕上ミル３は、分級装置４から粗粉Ｒを戻された場合には、セメントクリンカＣを石膏Ｇ及び粗粉Ｒと共に粉砕して粉砕物Ｄを製造する。
The
本実施形態の粉砕装置５は、その内部にノズル（図示せず）、供給部（図示せず）及び粉砕部（図示せず）を備え、大気圧下よりも圧縮された気体又は液体をノズルから粉砕部に噴出すると共に銅スラグＳ１（粒状のもの）を供給部から粉砕部に供給し、この気体又は液体の流れによって銅スラグＳ１同士を衝突させて粉砕することにより、銅スラグ粉末Ｓ２（銅スラグＳ１の粉砕によって生じた粉体の凝集体）を製造する。好ましくは、粉砕装置５としてジェットミル（気流式粉砕機）を使用する（ジェットミルが好ましい理由については試験例の説明において後述する）。
The pulverizing
混合物Ｍは、本発明の一実施形態に係るセメント組成物に対応するものであって、セメントクリンカＣの粉末、石膏Ｇの粉末及び銅スラグ粉末Ｓ２を含んでいる。この銅スラグ粉末の比表面積は4000cm2/g以上8000cm2/g以下（より好ましくは4500cm2/g以上7000cm2/g以下 、さらに好ましくは5110cm2/g以上6400cm2/g以下、最も好ましくは5110cm2/g以上5800cm2/g以下）である。好ましくは、この銅スラグ粉末のメディアン径が3.5μｍ以上7μｍ以下であり、この銅スラグ粉末の均等数（ロジン・ラムラー式におけるもの）が2.1以上3.5以下である。このような数値範囲が好ましい理由については試験例の説明において後述する。なお、この比表面積は、JIS R 5201に規定されている比表面積試験に準拠して、銅スラグ粉末Ｓ２をブレーン空気透過装置（図示せず）を用いて測定される値である。 Mixture M corresponds to the cement composition according to one embodiment of the present invention, and contains powder of cement clinker C, powder of gypsum G, and copper slag powder S2. The specific surface area of this copper slag powder is 4000 cm 2 /g or more and 8000 cm 2 /g or less (more preferably 4500 cm 2 /g or more and 7000 cm 2 /g or less, even more preferably 5110 cm 2 /g or more and 6400 cm 2 /g or less, and most preferably 5110 cm 2 /g or more and 5800 cm 2 /g or less). Preferably, the median diameter of this copper slag powder is 3.5 μm or more and 7 μm or less, and the uniform number of this copper slag powder (in the Rosin-Rammler method) is 2.1 or more and 3.5 or less. The reason why such a numerical range is preferable will be described later in the explanation of the test example. The specific surface area is a value measured by using a Blaine air permeation device (not shown) for copper slag powder S2 in accordance with the specific surface area test specified in JIS R 5201.
銅スラグ粉末Ｓ２においては、好ましくは、10μｍ篩通過分（10μｍのふるいを通過する粒子）の体積割合（銅スラグ粉末Ｓ２全体における10μｍ通過分の含有率）が85％以上であり、10μｍのふるいを通過して２μｍのふるいに残留する粒子の体積割合（銅スラグ粉末Ｓ２全体における10μｍのふるいを通過して２μｍのふるいに残留する粒子の含有率）が80％以上95％以下である。 In copper slag powder S2, the volume fraction of the 10 μm sieve passing particles (particles passing a 10 μm sieve) (content of 10 μm passing particles in the entire copper slag powder S2) is preferably 85% or more, and the volume fraction of particles passing a 10 μm sieve and remaining on a 2 μm sieve (content of particles passing a 10 μm sieve and remaining on a 2 μm sieve in the entire copper slag powder S2) is preferably 80% or more and 95% or less.
上記実施形態において、セメントクリンカＣ、石膏Ｇ及び銅スラグＳ１をまとめて粉砕装置５に供給して粉砕し、粉砕装置５から排出した粉砕物（セメントクリンカＣの粉末、石膏Ｇの粉末及び銅スラグＳ１の粉末の混合粉末）をセメント組成物としてセメントサイロ７に貯蔵してもよい。また、銅スラグＳ１の化学組成としては、例えば、酸化鉄含有率が35質量％以上55質量％以下、二酸化ケイ素含有率が28質量％以上38質量％以下、酸化カルシウム含有率が1質量％以上10質量％以下、酸化アルミニウム含有率が2質量％以上8質量％以下である。
In the above embodiment, the cement clinker C, gypsum G, and copper slag S1 may be supplied together to the crushing
さらに、上記実施形態において、銅スラグ粉末Ｓ２と微粉Ｆ（セメント）とを別々にＳＳ（サービスステーション：図示せず）へ運び、ＳＳ内の設備で混合してセメント組成物として出荷してもよい。銅スラグ粉末Ｓ２をコンクリートの混和材として使用する場合は、コンクリートの製造プラント（図示せず）でコンクリートを製造する際に、微粉Ｆ（セメント）と銅スラグ粉末Ｓ２との双方をコンクリートミキサ（図示せず）に投入して使用できる。 Furthermore, in the above embodiment, the copper slag powder S2 and the fine powder F (cement) may be transported separately to a service station (SS: not shown), mixed in equipment within the SS, and shipped as a cement composition. When the copper slag powder S2 is used as an admixture for concrete, both the fine powder F (cement) and the copper slag powder S2 can be used by being put into a concrete mixer (not shown) when producing concrete in a concrete production plant (not shown).
次に、本発明の一実施形態に係るセメント組成物の試験例について説明する。この試験例は、銅スラグ粉末を含む好ましいセメント組成物について導出することを目的とするものである。 Next, we will explain a test example of a cement composition according to one embodiment of the present invention. The purpose of this test example is to derive a preferred cement composition containing copper slag powder.
この試験例においては比較例１～３及び実施例１～３を行った。比較例１～３及び実施例１～３においては、銅スラグ（図１に示す銅スラグＳ１に相当）を粉砕して銅スラグ粉末（図１に示す銅スラグ粉末Ｓ２に相当）を製造した。そして、この銅スラグ粉末をセメントクリンカ粉末（図１に示すセメントクリンカＣの粉末に相当）及び石膏粉末（図１に示す石膏Ｇの粉末に相当）と混合してセメント組成物（図１に示す混合物Ｍに相当）を製造した。さらに、このセメント組成物を標準砂および水と混練してモルタル（セメント混練物）を製造した。なお、以下において、セメントクリンカ粉末と石膏粉末との混合粉末を適宜「セメント粉末」という。 In this test example, Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3 were carried out. In Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3, copper slag (corresponding to copper slag S1 shown in FIG. 1) was pulverized to produce copper slag powder (corresponding to copper slag powder S2 shown in FIG. 1). This copper slag powder was then mixed with cement clinker powder (corresponding to cement clinker C powder shown in FIG. 1) and gypsum powder (corresponding to gypsum G powder shown in FIG. 1) to produce a cement composition (corresponding to mixture M shown in FIG. 1). This cement composition was then kneaded with standard sand and water to produce mortar (cement mixture). In the following, the mixed powder of cement clinker powder and gypsum powder will be referred to as "cement powder" as appropriate.
表１～表３は、この試験例における試験条件を示す表である。具体的には、表１は、比較例１～３及び実施例１～３において粉砕した銅スラグの種類、銅スラグの粉砕に使用した粉砕機の種類、製造した銅スラグ粉末の比表面積、製造した銅スラグ粉末のメディアン径、及び、製造した銅スラグ粉末の均等数（ロジン・ラムラー式におけるもの）を示している。この比表面積は、JIS R 5201に規定されている比表面積試験に準拠して算出したものである。この比表面積の算出において、密度は表２に記載している数値を使用した。また、このメディアン径の測定にはマイクロトラック・ベル株式会社の粒度分布測定装置(MT3300EX)を使用した。表1に記載しているメディアン径は体積基準で算出された値である。 Tables 1 to 3 show the test conditions in this test example. Specifically, Table 1 shows the type of copper slag crushed in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3, the type of crusher used to crush the copper slag, the specific surface area of the produced copper slag powder, the median diameter of the produced copper slag powder, and the number of uniform particles (in the Rosin-Rammler method) of the produced copper slag powder. This specific surface area was calculated in accordance with the specific surface area test specified in JIS R 5201. In calculating this specific surface area, the values shown in Table 2 were used for density. In addition, a particle size distribution measuring device (MT3300EX) made by Microtrack Bell Co., Ltd. was used to measure this median diameter. The median diameters shown in Table 1 are values calculated on a volume basis.
表２は、比較例１～３及び実施例１～３において原料として用いた銅スラグ（銅スラグＡ、Ｂ）の化学組成（質量％）、塩基度及び密度を示している。この化学組成は、蛍光Ｘ線分析により測定したものである、この塩基度は、「［CaO含有率(質量％)+MgO含有率(質量％)+Al2O3含有率(質量％)］/SiO2含有率(質量％)」の計算値である。また、表３は、比較例１～３及び実施例１～３において使用したセメント粉末の化学組成及び鉱物組成を示している。 Table 2 shows the chemical composition (mass%), basicity, and density of the copper slag (copper slag A, B) used as a raw material in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3. The chemical composition was measured by fluorescent X-ray analysis, and the basicity is a calculated value of "[CaO content (mass%) + MgO content (mass%) + Al2O3 content (mass%)] / SiO2 content (mass%)." Table 3 shows the chemical composition and mineral composition of the cement powder used in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3.
この試験例における試験条件を図２及び図３において示す。具体的には、図２は、銅スラグ粉末の体積基準の粒度分布における度数分布として比較例及び実施例ごとに示すグラフである。図３は、銅スラグ粉末の体積基準の粒度分布を累積分布として比較例及び実施例ごとに示すグラフである。これら図２及び図３にも示されていることであるが、表４において明確に示されているように、10μｍ篩通過分（10μｍのふるいを通過する粒子）の体積割合（銅スラグ粉末全体における10μｍ通過分の含有率）は、比較例１～３においては50％以下であり、かつ、実施例１～３においては85％以上である。また、10μｍのふるいを通過して２μｍのふるいに残留する粒子の体積割合（銅スラグ粉末全体における10μｍのふるいを通過して２μｍのふるいに残留する粒子の含有率）は、比較例１～３においては40％以下であり、かつ、実施例１～３においては80％以上95％以下である。 The test conditions in this test example are shown in Figures 2 and 3. Specifically, Figure 2 is a graph showing the frequency distribution in the volumetric particle size distribution of copper slag powder for each comparative example and example. Figure 3 is a graph showing the volumetric particle size distribution of copper slag powder for each comparative example and example as a cumulative distribution. As shown in Figures 2 and 3, but also clearly shown in Table 4, the volume ratio of the 10 μm sieve passing particles (particles passing a 10 μm sieve) (content of the 10 μm passing particles in the entire copper slag powder) is 50% or less in Comparative Examples 1 to 3, and 85% or more in Examples 1 to 3. In addition, the volume ratio of the particles passing a 10 μm sieve and remaining on a 2 μm sieve (content of the particles passing a 10 μm sieve and remaining on a 2 μm sieve in the entire copper slag powder) is 40% or less in Comparative Examples 1 to 3, and 80% to 95% in Examples 1 to 3.
この試験例における試験結果を図４において示す。具体的には、図４は、比較例１～３及び実施例１～３における銅スラグ粉末の比表面積（表１に示すもの）と表５に示す活性度指数（セメント組成物の強度発現性の指標値）との関係を示している。この活性度指数は、JIS A 6201に規定されている方法（ただし、フライアッシュに代えて銅スラグ粉末を使用する方法）に準拠して算出したものであり、基準モルタル（結合材としてセメントクリンカ粉末及び石膏粉末を使用したもの）に対する各モルタル（結合材として、比較例１～３及び実施例１～３における銅スラグ粉末、セメントクリンカ粉末及び石膏粉末を使用したもの）の２８日強度の百分率を示す値である。ただし、銅スラグ粉末の置換率は20質量％とした。図４に示すグラフにおける左側から右側に向かって、比較例１～３及び実施例１～３の順にプロットがなされている。 The test results of this test example are shown in Figure 4. Specifically, Figure 4 shows the relationship between the specific surface area of the copper slag powder in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3 (shown in Table 1) and the activity index (index value of strength development of cement composition) shown in Table 5. This activity index was calculated in accordance with the method specified in JIS A 6201 (however, the method uses copper slag powder instead of fly ash), and is a value indicating the percentage of the 28-day strength of each mortar (using copper slag powder, cement clinker powder, and gypsum powder in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3 as binders) relative to the reference mortar (using cement clinker powder and gypsum powder as binders). However, the substitution rate of copper slag powder was set to 20 mass%. Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3 are plotted from left to right in the graph shown in Figure 4.
図４に示すグラフから次のことを読み取ることができる。セメントクリンカ粉末、石膏粉末及び銅スラグ粉末を含むセメント組成物において、銅スラグ粉末の比表面積が4000cm2/g未満の範囲内においては、銅スラグ粉末の比表面積にかかわらず銅スラグ粉末の活性度指数はさほど高まらない。銅スラグ粉末の比表面積が4000cm2/g以上5110cm2/g未満の範囲内においては、銅スラグの比表面積が大きくなるにつれて銅スラグ粉末の活性度指数が急激に高まり、特に、銅スラグ粉末の比表面積が4500cm2/g以上であると銅スラグ粉末の活性度指数が90％を超える。銅スラグ粉末の比表面積が5110cm2/g以上5800cm2/g以下の範囲内においては、銅スラグ粉末の比表面積が増加しても銅スラグ粉末の活性度指数はわずかに高まるだけである。 The following can be seen from the graph shown in Figure 4. In a cement composition containing cement clinker powder, gypsum powder, and copper slag powder, when the specific surface area of the copper slag powder is in the range of less than 4000 cm2 /g, the activity index of the copper slag powder does not increase significantly regardless of the specific surface area of the copper slag powder. When the specific surface area of the copper slag powder is in the range of 4000 cm2 /g or more and less than 5110 cm2 /g, the activity index of the copper slag powder increases rapidly as the specific surface area of the copper slag increases, and in particular, when the specific surface area of the copper slag powder is 4500 cm2 /g or more, the activity index of the copper slag powder exceeds 90%. When the specific surface area of the copper slag powder is in the range of 5110 cm2 /g or more and 5800 cm2 /g or less, the activity index of the copper slag powder increases only slightly even if the specific surface area of the copper slag powder increases.
さらに、銅スラグ粉末の比表面積が5800cm2/gを超えて6400cm2/g以下の範囲内においては、銅スラグ粉末の比表面積が増加すると銅スラグ粉末の活性度指数はわずかに低くなる。銅スラグ粉末の比表面積が6400cm2/gを超える範囲内においては、銅スラグ粉末の比表面積が大きくなるにつれて銅スラグ粉末の活性度指数が急激に低下し、特に、銅スラグ粉末の比表面積が7000cm2/gを超えると銅スラグ粉末の活性度指数が90％を下回る。ただし、銅スラグ粉末の比表面積が8000cm2/g以下であれば、銅スラグ粉末の活性度指数は85％以上に維持される。 Furthermore, when the specific surface area of the copper slag powder is in the range of more than 5800 cm2 /g to 6400 cm2 /g, the activity index of the copper slag powder decreases slightly as the specific surface area of the copper slag powder increases. When the specific surface area of the copper slag powder exceeds 6400 cm2 /g, the activity index of the copper slag powder decreases rapidly as the specific surface area of the copper slag powder increases, and in particular, when the specific surface area of the copper slag powder exceeds 7000 cm2 /g, the activity index of the copper slag powder falls below 90%. However, when the specific surface area of the copper slag powder is 8000 cm2 /g or less, the activity index of the copper slag powder is maintained at 85% or more.
この結果から次のことを導出することができる。すなわち、セメントクリンカ粉末、石膏粉末及び銅スラグ粉末を含むセメント組成物の強度発現性は、銅スラグ粉末の比表面積が4000cm2/g以上8000cm2/g以下であれば高くなり（銅スラグ粉末の活性度指数が８５％以上）、銅スラグ粉末の比表面積が4500cm2/g以上7000cm2/g以下であればさらに高くなり（銅スラグ粉末の活性度指数が９０％を超える程度）、銅スラグ粉末の比表面積が5110cm2/g以上6400cm2/g以下であると非常に高くなる。 From these results, the following can be derived: the strength development of a cement composition containing cement clinker powder, gypsum powder, and copper slag powder is high when the specific surface area of the copper slag powder is 4000 cm 2 /g or more and 8000 cm 2 /g or less (activity index of the copper slag powder is 85% or more), is even higher when the specific surface area of the copper slag powder is 4500 cm 2 /g or more and 7000 cm 2 /g or less (activity index of the copper slag powder exceeds 90%), and is very high when the specific surface area of the copper slag powder is 5110 cm 2 /g or more and 6400 cm 2 /g or less.
なお、銅スラグ粉末の比表面積が5800cm2/g以下であれば、銅スラグの不要な粉砕（銅スラグ粉末の活性度指数を低下させてしまうような粉砕）を回避することができる。 If the specific surface area of the copper slag powder is 5800 cm 2 /g or less, unnecessary pulverization of the copper slag (pulverization that would lower the activity index of the copper slag powder) can be avoided.
また、この試験例からは、銅スラグ粉末を含むセメント組成物の好ましい製造方法についても導出することができる。この製造方法について以下説明する。 This test example also allows us to derive a preferred method for producing a cement composition containing copper slag powder. This method is described below.
図５は、実施例１～３における、セメント組成物の混練時間とセメント組成物の混練に伴うセメント組成物1g当たりの積算発熱量との関係を示している。積算発熱量の測定は、ASTM C1702 - 17："Standard Test Method for Measurement of Heat of Hydration of Hydraulic Cementitious Materials Using Isothermal Conduction Calorimetry"に準拠し実施した。 Figure 5 shows the relationship between the mixing time of the cement composition and the cumulative heat generation per gram of the cement composition during mixing in Examples 1 to 3. The cumulative heat generation was measured in accordance with ASTM C1702-17: "Standard Test Method for Measurement of Heat of Hydration of Hydraulic Cementitious Materials Using Isothermal Conduction Calorimetry."
図６は、実施例１～３における、銅スラグ粉末の比表面積（表１に示すもの）と反応率との関係を示している。図６に示すグラフにおける左側から右側に向かって、実施例１～３の順にプロットがなされている。この反応率は、セメントクリンカ粉末、石膏粉末及び銅スラグ粉末からなるセメント組成物を、水粉末比0.6で練り込んで作製したセメントペーストを材齢28日となったタイミングで溶解液と混合して、未反応の銅スラグ粉末以外を溶解液に溶解させ、「（溶解液と混合する前の銅スラグ粉末の質量－溶解液と混合した後の銅スラグ粉末残分の質量）／溶解液と混合する前の銅スラグ粉末の質量」の百分率を算出したものである。 Figure 6 shows the relationship between the specific surface area (shown in Table 1) of the copper slag powder and the reaction rate in Examples 1 to 3. The graph in Figure 6 is plotted from left to right in the order of Examples 1 to 3. The reaction rate was calculated by mixing a cement paste made by kneading a cement composition consisting of cement clinker powder, gypsum powder, and copper slag powder at a water/powder ratio of 0.6 with a dissolving liquid when the cement paste was 28 days old, dissolving all but the unreacted copper slag powder in the dissolving liquid, and calculating the percentage of "(mass of copper slag powder before mixing with dissolving liquid - mass of copper slag powder remaining after mixing with dissolving liquid) / mass of copper slag powder before mixing with dissolving liquid".
図５に示す実施例１～３を比較すると、セメント組成物の材料として使用する銅スラグ粉末の比表面積が高い場合ほど、セメント組成物の混練に伴うセメント組成物1g当たりの積算発熱量が大きくなっている。なお、セメント組成物の混練終了時における積算発熱量は、実施例１においては304.4J/g、実施例２においては307.6J/g、実施例３においては313.5J/gになった。 Comparing Examples 1 to 3 shown in Figure 5, the higher the specific surface area of the copper slag powder used as an ingredient in the cement composition, the greater the cumulative heat generated per gram of cement composition during mixing. The cumulative heat generated at the end of mixing the cement composition was 304.4 J/g in Example 1, 307.6 J/g in Example 2, and 313.5 J/g in Example 3.
これは、セメント組成物の材料として使用する銅スラグ粉末の比表面積が高い場合ほど、セメント組成物の混練段階において、セメントクリンカ粉末及び石膏粉末により形成された隙間を銅スラグ粉末が効率よく充填し、セメントクリンカ粉末、石膏粉末及び銅スラグ粉末が互いに密着した状態でセメントクリンカ粉末及び石膏粉末が水和するため、セメントクリンカ粉末及び石膏粉末の水和が促進されたためであると考えられる。 This is thought to be because, when the specific surface area of the copper slag powder used as an ingredient of the cement composition is high, the copper slag powder efficiently fills the gaps formed by the cement clinker powder and gypsum powder during the mixing stage of the cement composition, and the cement clinker powder and gypsum powder hydrate in a state where the cement clinker powder, gypsum powder, and copper slag powder are in close contact with each other, accelerating the hydration of the cement clinker powder and gypsum powder.
しかし、実施例１、２においては、図５に示すように実施例３よりも積算発熱量が小さいにもかかわらず、図４に示すように銅スラグ粉末の活性度指数が高くなっている。これは、実施例１、２においては、図６に示すように実施例３よりも銅スラグ粉末の反応率が高いためであると考えられる。なお、上述したように、図４及び図６において、右から３番目のプロットが実施例１を示しており、右から２番目のプロットが実施例２を示しており、一番右のプロットが実施例３を示している。 However, in Examples 1 and 2, although the cumulative heat generation is smaller than in Example 3 as shown in Figure 5, the activity index of the copper slag powder is higher as shown in Figure 4. This is thought to be because the reaction rate of the copper slag powder is higher in Examples 1 and 2 than in Example 3 as shown in Figure 6. As mentioned above, in Figures 4 and 6, the third plot from the right shows Example 1, the second plot from the right shows Example 2, and the rightmost plot shows Example 3.
つまり、一般的な混合材（銅スラグ粉末以外のもの。例えば、高炉スラグ粉末やフライアッシュ。）を含むセメント組成物を製造する場合には、混合材の比表面積を大きくするほどセメント組成物の強度発現性が高まる。しかし、銅スラグ粉末を含むセメント組成物を製造する場合には、混合材（銅スラグ粉末）の比表面積を8000cm2/g以下（好ましくは6400cm2/g以下、より好ましくは5800cm2/g以下）に調整しないと、銅スラグ粉末の反応率低下によってセメント組成物の強度発現性が低下してしまう。 In other words, when producing a cement composition containing a general admixture (other than copper slag powder, such as blast furnace slag powder or fly ash), the greater the specific surface area of the admixture, the greater the strength development of the cement composition. However, when producing a cement composition containing copper slag powder, unless the specific surface area of the admixture (copper slag powder) is adjusted to 8000 cm2 /g or less (preferably 6400 cm2 /g or less, more preferably 5800 cm2 /g or less), the reactivity of the copper slag powder will decrease, thereby reducing the strength development of the cement composition.
ところで、表１に示すように、ディスクミルにより銅スラグを粉砕する場合には、銅スラグ粉末の比表面積を高めるほど銅スラグ粉末の均等数が減少している。一方、ジェットミルにより銅スラグを粉砕する場合には、銅スラグ粉末の比表面積を高めるほど銅スラグ粉末の均等数が増加しており、かつ、ディスクミルにより銅スラグを粉砕する場合よりも銅スラグ粉末の均等数が大きくなっている。つまり、銅スラグをジェットミルにより粉砕して銅スラグ粉末（銅スラグの粉砕によって生じた粉体の凝集体）の比表面積（JIS R 5201に規定されている比表面積試験の測定値）を4000cm2/g以上8000cm2/g以下に調整することによって、銅スラグ粉末を構成する個々の粉体の実際の比表面積を満遍なく4000cm2/g以上8000cm2/g以下にすることができる。 As shown in Table 1, when copper slag is pulverized by a disk mill, the number of uniform particles of the copper slag powder decreases as the specific surface area of the copper slag powder increases. On the other hand, when copper slag is pulverized by a jet mill, the number of uniform particles of the copper slag powder increases as the specific surface area of the copper slag powder increases, and the number of uniform particles of the copper slag powder is larger than that of the copper slag powder pulverized by a disk mill. In other words, by pulverizing copper slag by a jet mill and adjusting the specific surface area (measured value of the specific surface area test specified in JIS R 5201) of the copper slag powder (powder aggregate produced by pulverizing copper slag) to 4000 cm 2 /g or more and 8000 cm 2 /g or less, the actual specific surface area of each powder constituting the copper slag powder can be uniformly set to 4000 cm 2 /g or more and 8000 cm 2 /g or less.
よって、表１及び図４～図６に示す結果から、銅スラグ粉末を含むセメント組成物の好ましい製造方法を次のように導出することができる。すなわち、この製造方法は、銅スラグをジェットミルにより粉砕することによって銅スラグ粉末（銅スラグの粉砕によって生じた粉体の凝集体）の比表面積（JIS R 5201に規定されている比表面積試験の測定値）を4000cm2/g以上8000cm2/g以下に調整し、この銅スラグ粉末をセメントクリンカ粉末及び石膏粉末と混合するものである。 Therefore, from the results shown in Table 1 and Figures 4 to 6, a preferred method for producing a cement composition containing copper slag powder can be derived as follows: That is, this production method involves pulverizing copper slag using a jet mill to adjust the specific surface area (measured value in the specific surface area test specified in JIS R 5201) of copper slag powder (powder aggregate produced by pulverizing copper slag) to 4000 cm2 /g or more and 8000 cm2 /g or less, and then mixing this copper slag powder with cement clinker powder and gypsum powder.
なお、ジェットミルのように圧縮気体を噴出して銅スラグ同士を衝突させて粉砕する粉砕装置に代えて、圧縮液体を噴出して銅スラグ同士を衝突させて粉砕する粉砕装置を使用することも考えられるが、圧縮液体は圧縮気体に比較して高速で噴出することが難しい。このため、銅スラグ粉末を構成する個々の粉体の比表面積を短時間で均等に高めるためには、銅スラグの粉砕にジェットミルを使用することが好ましいと考えられる。 Instead of a grinding device like a jet mill that sprays compressed gas to cause copper slag to collide against itself and grind it, it is also possible to use a grinding device that sprays compressed liquid to cause copper slag to collide against itself and grind it, but it is difficult to spray compressed liquid at high speeds compared to compressed gas. For this reason, in order to uniformly increase the specific surface area of the individual powder particles that make up the copper slag powder in a short period of time, it is considered preferable to use a jet mill to grind the copper slag.
なお、上述した試験例とは別の試験例についても説明する。表６は、この別の試験例について示している。この別の試験例は、セメントクリンカ粉末、石膏粉末及び銅スラグ粉末を含むセメント組成物において、銅スラグ粉末の置換率（セメント組成物の銅スラグ粉末含有率）が0質量％、10質量％、20質量％及び50質量％の場合における、このセメント組成物から製造したセメント混練物の圧縮強度（材齢28日）と銅スラグ粉末の活性度指数とを示している。なお、銅スラグ粉末の比表面積は5110cm2/gで統一した。銅スラグ粉末の置換率が20質量％のデータは上述した実施例１におけるものである。 A test example different from the above test example will be described. Table 6 shows this test example. This test example shows the compressive strength (28 days old) of a cement mixture produced from a cement composition containing cement clinker powder, gypsum powder, and copper slag powder, and the activity index of the copper slag powder when the substitution rate of the copper slag powder (the content of the copper slag powder in the cement composition) is 0 mass%, 10 mass%, 20 mass%, and 50 mass%. The specific surface area of the copper slag powder was standardized to 5110 cm 2 /g. The data for the substitution rate of the copper slag powder of 20 mass% is from Example 1 described above.
銅スラグ粉末がセメント組成物の強度発現性に何ら影響を与えないと仮定した場合、銅スラグ粉末の置換率が10％、20％及び50％の場合においては、銅スラグ粉末の活性度指数がそれぞれ「90％、80％及び50％」（以下、これらの数値を「基準値」という。）になるはずである。しかし、表６に示すように、銅スラグ粉末の置換率が10％、20％及び50％の場合においては、銅スラグ粉末の活性度指数がそれぞれ基準値を上回っている。しかも、銅スラグ粉末の置換率が大きくなるほど（すなわち、多量の銅スラグ粉末をセメント組成物の材料に使用するほど）、銅スラグ粉末の活性度指数が基準値を大きく超えている。 Assuming that copper slag powder has no effect on the strength development of the cement composition, the activity index of copper slag powder should be "90%, 80% and 50%" (hereinafter, these values are referred to as "standard values") when the substitution rate of copper slag powder is 10%, 20% and 50%, respectively. However, as shown in Table 6, when the substitution rate of copper slag powder is 10%, 20% and 50%, the activity index of copper slag powder exceeds the standard value. Moreover, the higher the substitution rate of copper slag powder (i.e., the more copper slag powder is used as an ingredient in the cement composition), the more the activity index of copper slag powder exceeds the standard value.
つまり、表６は、銅スラグ粉末の比表面積が4000cm2/g以上8000cm2/g以下である場合には、セメント組成物の材料として多量の銅スラグ粉末を使用するほど、銅スラグ粉末によってセメント組成物の強度発現性を効果的に高めることができる、ということを示している。 In other words, Table 6 shows that when the specific surface area of the copper slag powder is 4000 cm2 /g or more and 8000 cm2 /g or less, the more copper slag powder is used as a material for the cement composition, the more effectively the copper slag powder can increase the strength development of the cement composition.
１ セメント製造装置
２ クリンカサイロ
３ 仕上ミル
４ 分級装置
５ 粉砕装置
６ 混合装置
７ セメントサイロ
Ｃ セメントクリンカ
Ｄ 粉砕物
Ｆ 微粉
Ｇ 石膏
Ｍ 混合物
Ｒ 粗粉
Ｓ１ 銅スラグ
Ｓ２ 銅スラグ粉末
S1 Copper slag S2 Copper slag powder
Claims (4)
前記銅スラグ粉末の比表面積は4000cm2/g以上8000cm2/g以下であり、
前記銅スラグ粉末のメディアン径は3.5μｍ以上7μｍ以下であり、
前記銅スラグ粉末の均等数は2.1以上3.5以下であることを特徴とするセメント組成物。 A cement composition comprising cement clinker powder, gypsum powder and copper slag powder,
The copper slag powder has a specific surface area of 4000 cm 2 /g or more and 8000 cm 2 /g or less ,
The copper slag powder has a median diameter of 3.5 μm or more and 7 μm or less,
A cement composition, characterized in that the uniformity number of the copper slag powder is 2.1 or more and 3.5 or less .
セメントクリンカ粉末、石膏粉末及び前記銅スラグ粉末を混合する混合工程とを備え、
前記粉砕工程において、前記銅スラグ粉末の比表面積を4000cm2/g以上8000cm2/g以下、前記銅スラグ粉末のメディアン径を3.5μｍ以上7μｍ以下、前記銅スラグ粉末の均等数を2.1以上3.5以下に調整することを特徴とするセメント組成物の製造方法。 A milling step of milling the copper slag to produce copper slag powder;
A mixing step of mixing cement clinker powder, gypsum powder and the copper slag powder,
A method for producing a cement composition, characterized in that in the grinding process, the specific surface area of the copper slag powder is adjusted to 4000 cm2 /g or more and 8000 cm2 /g or less, the median diameter of the copper slag powder is adjusted to 3.5 μm or more and 7 μm or less, and the uniform number of the copper slag powder is adjusted to 2.1 or more and 3.5 or less .
ノズル、供給部及び粉砕部を備える粉砕装置において、圧縮された気体又は液体を前記ノズルから前記粉砕部に噴出すると共に前記銅スラグを前記供給部から前記粉砕部に供給することにより、前記気体又は前記液体の流れによって前記銅スラグ同士を衝突させて粉砕することを特徴とする請求項３に記載のセメント組成物の製造方法。 In the pulverization step,
The method for producing a cement composition according to claim 3, characterized in that in a grinding device equipped with a nozzle, a supply unit, and a grinding unit, compressed gas or liquid is sprayed from the nozzle to the grinding unit and the copper slag is supplied from the supply unit to the grinding unit, thereby causing the copper slag to collide with each other due to the flow of the gas or liquid, thereby grinding the copper slag.
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Non-Patent Citations (1)
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| 鈴木 道隆，粉体の密充填におよぼす粒子物性の影響，Journal of the Society of Powder Technology，日本，2003年，Volume 40 Issue 5，p. 348-354，https://www.jstage.jst.go.jp/article/sptj1978/40/5/40_5_348/_article/-char/en |
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