JP2020535096A - 水硬性組成物用の促進混和剤 - Google Patents
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Abstract
Description
C3S+(3−x+y)・H2O→(3−x)・Ca(OH)2 +CxSHy
水によるC3Sの水和によって形成される生成物、すなわちケイ酸カルシウム水和物は成分が不確定な化合物であり、種々の成分(C=CaO、S=SiO2、H=H2O)の割合は、時期および硬化状態によって変化する。この理由のために、そして明確な結晶構造が存在しないので、前記化合物は一般的に、「ケイ酸カルシウム水和物ゲル」の名称およびC-S-Hの表記によって示される。C-S-Hはセメント顆粒を覆い、大きな表面積を特徴とする多孔質製品であり、数ミクロンまでの長さおよび数十分の1ミクロンの厚さを有する繊維状粒子の塊として存在し、その連結がセメントの結合特性を決定するのに寄与する。
ギ酸カルシウム56gを80℃の1400gの水に溶解し、得られた溶液を、ギ酸カルシウムが完全に溶解するまで、2000mlのガラスビーカー中で機械的撹拌機を用いて撹拌しながら維持した。規格UNI−EN197−1:2006の分類に従うポートランドセメントタイプ52.5Rの560gを、温度80℃で30秒以内に当該液体に添加した。
使用した52.5Rセメントの特性を以下の表に示す。
表1の52.5Rセメント560gを、実施例1に記載したのと同じ手順によって80℃で水1400gに添加した。水和反応を、撹拌下、80℃の温度で6時間続けた。反応の間、生成物は流体懸濁液の形態のままであり、その灰色は、時間が経つにつれてより青白くなる傾向があった。反応の終わりに、生成物を冷却し、プラスチック容器に移した。約1950gの生成物が得られ、105℃で測定した乾燥物質含量は31.5%であり、一定重量であった。
実施例1と比較例1の製品は、規格UNI−EN197−1:2006に規定されている通り、プラスチックモルタル試験において、標準砂と砂/セメント比=3を用いて硬化促進剤として評価した。プラスチックモルタルを製造するために使用したセメントは、表1と同じCEMI 52.5Rセメントであった。所望の加工性を達成するために、ポリエーテルカルボキシレート系ポリマーをベースとする超可塑化混和剤Dynamon SP1(Mapei)を使用した。全ての混合物は、水/セメント比W/C = 0.42で調製し、種々の場合に混合水として混合物と共に導入された水を計測した。
ミックス2で使用した比較例1の生成物をギ酸カルシウムなしで合成し、7時間の硬化後、本発明による生成物の機械的強度の約半分(7時間の硬化後7.8MPa)を発揮させた。比較例1の生成物に、実施例1の生成物と共に導入された量(2.5g)と同量のギ酸カルシウムを添加しても、機械的強度の発達は実質的に変化せず、7時間後の機械的強度値は7.8MPaから8.0MPaに増加した。ミックスに直接添加されたギ酸カルシウムの適度な寄与は、ギ酸カルシウムのみを含有するミックス4の低い強度値によっても確認され、これは7時間後にわずか1.4MPaの機械的強度が生じた。24時間の硬化後、全てのミックスが同じ水/セメント比を有するので、全ての試験片は予想されたのと同等の機械的強度値に達した。
この実施例では、実施例1の合成でのギ酸カルシウム(CaF)を、以下の表3に示す処方に従って、他の物質で置き換えた。具体的には、100%酢酸カルシウム(CaAC)(レシピ3A)、ジエタノールアミン(DEA)85%水溶液(レシピ3B)、およびトリエタノールアミン(TEA)85%水溶液(レシピ3C)を使用した。使用したセメントの種類は実施例1のものと同じであり、合成方法も同様である。比較として、ギ酸カルシウムを、セメント水和促進剤として一般に使用される等量の100%硝酸カルシウム(CaN)(レシピ3COMP)で置き換えた実施例1の合成と同じ条件下で合成を行った。
ギ酸カルシウム56gを室温(22℃)で1400gの水に溶解し、得られた溶液を、ギ酸カルシウムが完全に溶解するまで2000mlのガラスビーカー中で機械的撹拌機を用いて撹拌しながら維持した。表1に報告された特性を有する560gのポルトランドセメントタイプ52.5Rを30秒で前記溶液に添加した。水和反応を、撹拌下、22℃の温度で288時間続けた。反応の間、生成物は流体懸濁液の形態のままであり、その灰色は、時間が経つにつれてより青白くなる傾向があった。反応の終わりに、生成物をプラスチック容器に移した。約2000gの生成物が得られ、105℃で測定した乾燥物質含量は40%であり、一定重量であった。生成物の5gアリコートを遠心分離して水相を分離した。分離した固体物質をアセトンで繰り返し洗浄して水和反応を抑制し、60℃のストーブ中で15分間放置して乾燥させ、淡灰色の乾燥粉末を得た。
表1の52.5Rセメント560gを、実施例1に記載したのと同じ手順によって22℃で水1400gに添加した。水和反応を22℃の温度で288時間撹拌しながら続けた。反応の間、生成物は流体懸濁液の形態のままであり、その灰色は、時間が経つにつれてより青白くなる傾向があって。反応の終わりに、生成物をプラスチック容器に移した。約1950gの生成物が得られ、105℃で測定した乾燥物質含量は37%であり、一定重量であった。生成物の5gアリコートを遠心分離して水相を分離した。分離した固体物質をアセトンで繰り返し洗浄して水和反応を抑制し、60℃のストーブ中で15分間放置して乾燥させ、淡灰色の乾燥粉末を得た。
実施例4および比較例2の試料は遠心分離し、アセトンで洗浄し、乾燥した後、ESEM(環境制御型電子顕微鏡)により微細構造分析のために分析した。結果を以下の図に示す。図1は10%ギ酸カルシウム対セメントの存在下で合成された実施例4の生成物の画像を示し、一方、図2は、ギ酸カルシウムなしで合成された比較例2の生成物の画像を示す。
112gのギ酸カルシウムを室温(22℃)で1400gの水に溶解し、得られた溶液を、ギ酸カルシウムが完全に溶解するまで2000mlのガラスビーカー中で機械的撹拌機を用いて撹拌しながら維持した。表1に報告された特性を有する560gのポルトランドセメントタイプ52.5Rをこの溶液に30秒で添加した。水和反応を、撹拌下、22℃の温度で60時間続けた。反応の間、生成物は流体懸濁液の形態のままであり、その灰色は、時間が経つにつれてより青白くなる傾向がある。反応の終わりに、生成物をプラスチック容器に移した。約2000gの生成物が得られ、105℃で測定した乾燥物質含量は40%であり、一定重量であった。
表1に示した特性を有する52.5Rポルトランドセメント100gを、22℃で1000mlの水中に分散させ、20mm〜40mmの直径を有するアルミナボール4kgを装填した8リットルの体積を有するアルミナジャー中で60時間水和した。ジャーの回転速度は米国特許第5,709,743号の実施例A1に報告されているように、70rpmであった。105℃で一定重量まで測定して、13%の乾燥物質含量を有する水和セメントの懸濁液約1100gが得られた。
表1に報告した特性を有する52.5ポルトランドセメント560gを、22℃の1400mlの水中に分散させ、20mm〜40mmの直径を有するアルミナボール4kgを装填した8リットルの体積を有するアルミナジャー中で60時間水和した。ジャーの回転速度は米国特許第5,709,743号の実施例A1に報告されているように、70rpmであった。105℃で一定重量まで測定して、39%の乾燥物質含量を有する水和セメントの懸濁液約1550gが得られた。
実施例6および比較例3および4の生成物を、表1の特性を有する同じ52.5Rポルトランドセメントを使用して、プラスチックモルタル試験で試験した。
ギ酸カルシウム112gを60℃の1400gの水に溶解し、得られた溶液を、ギ酸カルシウムが完全に溶解するまで、2000mlのガラスビーカー中で、機械的撹拌機を用いて撹拌しながら維持した。表1に示した特性を有する560gのポルトランドセメントタイプ52.5Rを、60℃の温度で30秒でこの溶液に添加した。水和反応を撹拌しながら8時間続けた。反応全体を通して、製品は液体中断の形にとどまり、そのグレー色は時間が経つにつれて色が薄くなる傾向があった。反応の終わりに、生成物を冷却し、プラスチック容器に移した。約2050gの流体水性分散液が得られ、105℃で測定した乾燥物質含量は39%であり、一定重量であった。
実施例8の生成物を使用して、セメント混合物を作製し、ここでセメントは、化石燃料熱燃焼プラントに由来するフライアッシュで徐々に置換された。前記副産物は、セメントに由来するケイ酸カルシウム水和物C-S-Hに非常に類似したセメント製品を形成する補助セメント原料であるので、セメント混合物中のセメントの一部を置き換えるために使用される。セメント質混合物中にフライアッシュを使用する利点は、セメントのより低い用量に由来するより低い環境影響、および前記副産物がセメント質集塊の耐久性において生じる改善である。しかしながら、セメント質混合物中のフライアッシュの反応はよりゆっくりと進行し、その結果、長い硬化時間(90日以上)ではセメントのみに基づく混合物と非常に類似した機械的強度を生じるが、短期強度ははるかに低く、したがって、新鮮なコンクリートを含有する型枠を迅速に取り除くことはできず、したがって、作業の進行を遅らせる。
従って、大量のフライアッシュをセメント質混合物中に導入することが望ましいが、セメントの重量の15〜20%の割合は上記の理由のために超えるべきではない。
プラスチックモルタルを製造するために使用したセメントは表1と同じ52.5Rセメントであり、一方、規格ASTM C618に従ってF型に分類可能な、使用したフライアッシュの組成を以下の表7に示す。
実施例8の生成物を使用して、セメント混合物を作製し、ここでセメントは、粉砕粒状高炉スラグ(GGBFS)によって徐々に置き換えられた。前記副産物は、セメントに由来するケイ酸カルシウム水和物C-S-Hに非常に類似したセメント製品を形成する補助セメント原料であるので、セメント混合物中のセメントの一部を置き換えるために使用される。
フライアッシュの場合のように、セメント質混合物中にGGBFSを使用する利点は、セメントのより低い用量に由来するより低い環境影響、および前記副産物がセメント質コングロマリットの耐久性において生じる改善である。しかしながら、セメント質混合物中のスラグの反応はよりゆっくりと進行し、その結果、長い硬化時間(90日以上)ではセメントのみに基づく混合物の機械的強度に非常に類似した機械的強度を生じるが、短期間の強度はるかに低く、したがって、新鮮なコンクリートを含む型枠を迅速に取り除くことはできず、したがって、作業の進行を遅らせる。従って、大量のGGBFSをセメント質混合物中に導入することが望ましいが、セメントの重量の15〜20%の割合は上記の理由のために超えるべきではない。プラスチックモルタルを製造するために使用したセメントは表1と同じ52.5Rセメントであったが、使用したスラグの組成を以下の表9に示す。
112gのギ酸カルシウムを、1700gの水に60℃で溶解し、得られた溶液を、ギ酸カルシウムが完全に溶解するまで、2000mlのガラスビーカー中で、機械的撹拌機を用いて撹拌しながら維持した。表1に報告された特性を有する560gのポルトランドセメントタイプ52.5Rを、60℃の温度で30秒でこの溶液に添加した。水和反応を撹拌しながら8時間続けた。反応全体を通して、生成物は流体懸濁液の形態で存在し、その灰色は、時間が経つにつれてより青白くなる傾向があった。反応の終わりに、生成物を冷却し、プラスチック容器に移した。約2370gの流体水性分散液が得られ、その乾燥物質含量は105℃で一定重量まで測定して34%であり、粘度は、20℃で測定して2000cPである。
実施例11のサンプルを使用して、セメント混合物を作製し、ここで、化石燃料熱燃焼プラントに由来し、標準ASTM C618に従ってF型として分類可能であり、表7に示される組成を有するフライアッシュによってセメントは完全に置換された。超可塑化混和剤Dynamon SP1(Mapei)を使用して、所望の加工性を達成した。広がり測定の後、4cm×4cm×16cmの寸法を有するプリズム状試験片を作製し、標準的な実験室条件(20℃および95%R/H)下で硬化させた。それらの圧縮強度は、7日間および28日間の硬化後に測定した。結果を以下の表12に示した。
実施例11のサンプルを用いてセメント混合物を作製し、セメントを表9に示す組成を有する粉砕粒状高炉スラグ(GGBFS)で完全に置き換えた。超可塑化混和剤Dynamon SP1(Mapei)を使用して、所望の加工性を達成した。広がり測定の後、4cm×4cm×16cmの寸法を有するプリズム状試験片を作製し、標準的な実験室条件(20℃および95% R/H)下で硬化させた。それらの圧縮強度を24時間、7日および28日の硬化後に測定した。結果を以下の表13に示した。
ギ酸カルシウム112gを60℃の1653gの水に溶解し、得られた溶液を、ギ酸カルシウムが完全に溶解するまで、2000mlのガラスビーカー中で、機械的撹拌機を用いて撹拌しながら維持した。次に、セメント質混合物用の超可塑剤として一般に使用される、メタクリル酸とメタクリル酸のポリオキシエチレンエステルとのコポリマーに基づくポリマー分散剤の37%水溶液75gを添加した。前記ポリマーは、ゲル浸透クロマトグラフィーによって測定された、Mw=80,000ダルトンの重量平均分子量Mw、エステル基に対する酸基の比A/E=7、およびポリオキシエチレン鎖長5,000ダルトンによって特徴付けられる。表1に報告された特性を有する560gのポルトランドセメントタイプ52.5Rを、得られた透明溶液に60℃の温度で30秒で添加した。水和反応を撹拌しながら8時間続けた。反応全体を通して、生成物は流体懸濁液の形態で存在し、その灰色は、時間が経つにつれてより青白くなる傾向があった。反応の終わりに、生成物を冷却し、プラスチック容器に移した。約2400gの流体水性分散液が得られ、105℃で一定重量まで測定された乾燥物質含量は33%であり、20℃で測定した粘度は400cPであった。理解されるように、分散ポリマーの存在は同じ条件下で合成されたが、分散ポリマーなしの実施例11の生成物との比較から明らかなように、最終生成物の粘度はかなり減少した。
セメント質混合物用の超可塑剤として一般に使用される、メタクリル酸とメタクリル酸のポリオキシエチレンエステルとのコポリマーに基づくポリマー分散剤の37%水溶液150gを、水1607gに添加した。前記ポリマーは、ゲル浸透クロマトグラフィーによって測定された、Mw=80,000ダルトンに達する重量平均分子量Mw、エステル基に対する酸基の比A/E=7、およびポリオキシエチレン鎖長5,000ダルトンによって特徴付けられる。表1に報告された特性を有する560gのポルトランドセメントタイプ52.5Rを、得られた透明溶液に60℃の温度で30秒で添加した。水和反応を撹拌しながら8時間続けた。反応全体を通して、生成物は流体懸濁液の形態で存在し、その灰色は、時間が経つにつれてより青白くなる傾向があった。反応の終わりに、生成物を冷却し、プラスチック容器に移した。約2300gの流体水性分散液が得られ、その乾燥物質含量は105℃で一定重量まで測定して32%であり、粘度は20℃で400cPであった。
実施例14および比較例5の生成物を、表1の特性を有する同じ52.5Rポルトランドセメントを使用して、プラスチックモルタル試験で評価した。比較のために、セメントのみに基づく参照ミックスを作製した。超可塑化混和剤Dynamon SP1(Mapei)を使用して、所望の加工性を達成した。全ての混合物は、水/セメント比=0.42で作られ、様々な場合に混合水として混合物と共に導入された水を計測した。広がり測定の後、4cm×4cm×16cmの寸法を有するプリズム状試験片をモルタルで調製し、標準的な実験室条件(20℃および95%R/H)下で硬化させた。6、8、10および24時間の硬化後に圧縮強度を測定し、その結果を以下の表14に示す。
実施例14および比較例5のサンプルを、X‘Celerator検出器を備えたPANalytical X'Pert Pro MPD回折装置を用いてXRPD技術によって分析した。試料は、40kVの電圧および40mAの電流を有するCoアノードによって生成されたCo-Kα1.2照射に粉末を暴露することによって得られた。回折スペクトルを図3に示すが、実施例14に対応する試料のスペクトルは上方に黒い線で表され、比較例5に関連するスペクトルは下方に灰色の線で表されている。理解されるように、ギ酸カルシウムの存在下で合成された実施例14の生成物に対応するスペクトルは、比較例5の試料のスペクトルには存在しない幾つかのピーク(6.78Å、5.20Åおよび4.14Å)を示し、ここで、ギ酸カルシウムは合成中に添加されなかった。しかしながら、前記ピークは結晶性ギ酸カルシウムのピークに対応しないが、380〜390(オングストローム)3または790(オングストローム)3の体積を有する正方晶または斜方晶セルで一貫して指標付けされ、カルシウム陽イオンがギ酸結合剤と配位してMOF(有機金属骨格)に典型的な三次元結晶構造を生成する様々な多形構造を示す。純水中で合成されたものと比較して、本発明による生成物の比表面積が著しく増加することによって確認されるこれらの構造の高い多孔性(実施例5に記載のBETデータを参照)は、本発明による生成物の改善された促進効果および安定性の根本的な理由であると考えられる。
Claims (14)
- ポルトランドセメントまたは他の主にケイ酸塩ベースの水硬性結合剤の水性懸濁液中で、カルボン酸、そのカルシウム塩、ポリエタノールアミン、またはそれらの混和剤の存在下、水/結合剤の比(W/B)が1〜6の範囲で、10℃〜90℃の範囲の温度で、2時間〜300時間、水和することによって得られる、C-S-Hシードをベースとする水硬性組成物用の促進混和剤。
- 前記カルボン酸がギ酸または酢酸またはそれらのカルシウム塩である請求項1に記載の促進混和剤。
- 水和がギ酸カルシウムの存在下で行われる、請求項1または2に記載の促進混和剤。
- 前記ポリエタノールアミンが、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、トリイソプロパノールアミンおよびジエタノールイソプロパノールアミンから選択される、請求項1に記載の混和剤。
- 前記カルボン酸およびポリエタノールアミンが、ポルトランドセメントまたは主にケイ酸塩ベースの他の水硬性結合剤の重量の2%〜40%、好ましくは5%〜25%、さらにより好ましくは10%〜20%の範囲の量で存在する、先行する請求項のいずれか1項に記載の促進混和剤。
- 分散剤、粘度制御剤および安定化剤が、水和の間または水和反応の終わりに添加される、先行する請求項のいずれか1項に記載の促進混和剤。
- 前記分散剤が、グルコン酸およびその塩、ポリエーテルカルボキシレート系ポリマー、リグニンスルホネート、ナフタレンスルホネートおよびメラミンスルホネートとホルムアルデヒドとの縮合物、ならびに多糖類およびホスホン化ポリマーの誘導体である、請求項6に記載の促進混和剤。
- 前記粘度制御剤が、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース(HEC)、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)、メチルヒドロキシエチルセルロース(MHEC)、メチルヒドロキシプロピルセルロース(MHPC)から選択される多糖誘導体、および/または平均分子量が500,000g/molを超える、好ましくは1,000,000g/molを超える、(メタ)アクリルアミドおよびスルホン化モノマーの非イオン性モノマーから誘導される構造単位を含有する(コ)ポリマー、または変性ポリ尿素である、請求項6に記載の促進混和剤。
- 前記安定剤が、シュウ酸、またはクエン酸およびリンゴ酸から選択されるヒドロキシカルボン酸、またはそれらの塩である、請求項6に記載の促進混和剤。
- カルボン酸、そのカルシウム塩、ポリエタノールアミンまたはそれらの混合物の存在下で、ポルトランドセメント基づく水硬性結合剤または主にケイ酸塩ベースの他の水硬性結合剤の水性懸濁液中での水和を含む、C-S-Hシードに基づく水硬性組成物用の促進混和剤の調製方法。
- 水溶液中の結合剤の水和反応が、20℃〜80℃の範囲の温度で、大気圧で撹拌タンクまたは反応器中で行われる、請求項10に記載の方法。
- 撹拌が、連続的または不連続的になされ、アンカーまたはローター撹拌機でなされ、任意に超分散システムと結合してなされる、請求項11に記載の方法。
- 懸濁液の乾燥重量の3%〜40%、好ましくは5%〜30%、さらにより好ましくは10%〜20%の範囲の量の炭酸ナトリウムが、水和で得られた懸濁液に添加される、請求項10〜12のいずれか1項に記載の方法。
- ポルトランドセメント、および粉砕粒状高炉スラグ、フライアッシュ、焼成クレーまたはそれらの混合物から選択される補助セメント質材料、に基づく水硬性結合剤に基づく組成物の製造のための、請求項1〜9のいずれか1項に記載の製造された促進混和剤の使用。
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