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JP2020535096A - 水硬性組成物用の促進混和剤 - Google Patents

水硬性組成物用の促進混和剤 Download PDF

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Abstract

本発明の目的は、ポルトランドセメントおよび他の補助セメント質材料をベースとする水硬性組成物用の硬化促進剤を含む新規な混和剤である。【選択図】 なし

Description

本発明の目的は、ポルトランドセメントおよび他の補助セメント質材料をベースとする水硬性組成物用の硬化促進剤を含む新規な混和剤である。
硬化促進剤は、短い硬化時間でセメント混合物の機械的強度を増加させるために建設業界で広く使用されている混和剤である。それらの使用は鋼材のより迅速な取り外し、従ってそのより迅速な回収および再使用の必要性、または構造材が配置後数日で既にかなりの荷重を受けている場合には、作業がより迅速に進行することを可能にする必要性によって決定される。低温はセメント水和反応を遅くし、その結果、構造体が自立するのに十分な機械的強度値に達するのに長い硬化時間が必要とされるので、促進混和剤の使用は、最も寒い気候の地理的領域および期間において最も広く行われている。促進混和剤はセメント水和反応速度を促進するので、短い硬化時間で機械的強度を増加させるが、長い時間をかけて水と反応するセメントの総量には影響を及ぼさず、したがって、製品の最終機械的強度を実質的に変化させない。
塩化物、フッ化物、炭酸塩、亜硝酸塩、硝酸塩、チオ硫酸塩およびチオシアネートを含む多くの無機化合物が促進特性を有することが知られている。促進剤として使用される有機化合物としては、トリエタノールアミン、ジエタノールアミン、尿素、グリオキサールおよびギ酸塩が挙げられる。
塩化物および硝酸塩、特に塩化カルシウムおよび硝酸カルシウムは最も有効な促進剤の1つであるが、鉄筋の腐食を促進するという欠点を有し、その結果、鉄筋コンクリートにおけるそれらの使用は排除される。ギ酸カルシウムは前記危険性を示さず、セメント塊の少量の重量パーセンテージが添加される場合、硬化促進剤として作用する。その使用に関する最大限の限界は水中でのその低い溶解度にあり、これは水溶液中でのその使用を妨げ、したがって、混合の際にコンクリートに直接添加される粉末形態で使用されなければならない。
トリエタノールアミンのような他の有機促進剤は低用量(セメント重量の0.025重量%)でセメント水和促進剤として作用するが、高用量(セメント重量の0.06重量%)では水和速度を低下させる。
促進剤の作用は主に、セメントを構成するケイ酸塩相、特にポルトランドセメントの主要成分であるケイ酸三カルシウム、3CaO・SiOに対して行われる。セメント化学ではCS(C=CaO、S=SiO)と略されるケイ酸三カルシウムの重要性は、ポルトランドセメントの最も豊富な成分(50〜70%)であり、とりわけセメント質ペーストの硬化に寄与するためである。この相と水との反応のために、セメントは硬化し、数時間で、流し込み可能な可塑性の塊から、かなりの機械的応力に耐えることができる硬化した凝集体に変化する。ケイ酸三カルシウムの水和反応は次の通りである。
S+(3−x+y)・HO→(3−x)・Ca(OH)2 +CSH
水によるCS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=SiO、H=HO)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。
上記促進剤の作用メカニズムは未だ完全には解明されていないが、前記化合物は、表面吸着プロセス、イオンキレート化、不溶性塩の沈殿、および水和相の微細構造の改質によって、CS水和反応を促進すると考えられる。硬化促進剤に関する科学文献および特許文献の広範な総説は、Collepardi, M., "Scienzae Tecnologia del Calcestruzzo", Hoepli Editore, Milano, 1987, pp. 335-337, in Ramachandran, V.S., "Concrete Admixtures Handbook - Second edition", Noyes Publications, Park Ridge, N.Y., 1995, pp. 185-273 and pp. 1047-1049, and Cheung, J. et al., "Impact of Admixtures on the Hydration Kinetics of Portland Cement", Cement and Concrete Research, 41, 2011, pp. 1289-1309に見ることができる。
C-S-HはCSの水和促進剤として作用し得ることが報告されている(Kondo, R., Daimon, M., J. Am. Ceram. Soc. 52, 1969)。これらの結果は硝酸カルシウム溶液およびメタケイ酸ナトリウム溶液からの沈殿によって得られる合成C-S-Hを使用して最近確認された(Thomas, J.J. et al., J. Phys. Chem., 113, 2009, pp. 4327-4334)。ポルトランドセメントペーストへの前記沈殿物の添加はセメントのCSの水和によるC-S-H生成物用の結晶化シードとして作用し、セメント粒子上および混和剤の毛管多孔性中の両方で、その核形成および沈殿を促進し、その結果、硬化した集塊の機械的強度の促進された発達および改善された耐久性特性をもたらすことが実証された。
国際公開第2010026155号パンフレットは、硬化促進剤として有用なC−S−Hを製造するためのプロセスを説明している。そこではカルシウムイオンおよびシリケートまたはシリカイオンを含む水性液体から、セメント混合物用の分岐ポリマー超可塑剤(「くし状ポリマー」)が存在するもとで、カルシウムシリケート水和物を沈殿させている。
前記化合物の例は、マレイン酸、アクリル酸およびビニルオキシブチル-ポリエチレングリコール-5800のターポリマーに基づく約40,000g/molの分子量(Mw)を有するポリカルボキシレートエーテル、約73,000g/molの分子量(Mw)を有する、マレイン酸、アクリル酸およびビニルオキシブチル-ポリエチレングリコール-12000のターポリマー、ならびにメタクリル酸およびメタクリル酸メトキシポリエチレングリコール-5,000のコポリマーに基づく、約40,000g/molの分子量(Mw)を有するポリカルボキシレートエーテルである。
国際公開第2010026155号パンフレットに記載された方法の1つの欠点は高濃度のアルカリおよび硝酸アニオンの存在であり、これらは、反応副生成物として最終生成物中に残存する。存在するアルカリ金属は、ある種の骨材中に存在するアモルファスシリカ部分と反応して、硬化したコンクリートに亀裂および構造の劣化を引き起こす点までの張力を生じさせる膨張反応(ASR-アルカリシリカ反応)を生じさせるので、コンクリート劣化の潜在的な原因となる。硝酸塩アニオンは、鉄筋を腐食させるので、鉄筋コンクリートの製造におけるその混和剤の使用は排除される。
前記方法によって製造される製品の市販の例は製品マスターX-シード100(BASF)であり、そのデータシートは5%のアルカリ含量を示す。
米国特許第5,709,743号は、水性懸濁液の形態で、シリカ質水硬性結合剤の懸濁液の水和および粉砕によって得られる、シリカ質結合剤用の硬化および硬化促進剤の使用を特許請求している。C-S-Hシードの促進効果に基づく混和剤は0.6〜25の水対結合剤重量比(W/B)を形成するような量の水の存在下で、5℃〜90℃の温度で、ポルトランドセメントまたはシリケート相に富む他の水硬性結合剤を水和し、得られた懸濁液を、所望の粒径が得られるまで微粉砕ミル中で粉砕プロセスに供することによって得られる。別法として、水和および粉砕段階が同時であり得、そして例えば、コランダムボールを有する磁器ミル中で実施され得る。最終生成物は、5重量%〜55重量%の範囲の固形分と、2日後に最初の高さの少なくとも60%に達する沈降とを有する。
この方法の欠点はセメントおよび水懸濁液を湿式粉砕する必要があり、大規模な工業的ミルを必要とし、かなりのエネルギー消費および維持コストを伴うことである。
ポルトランドセメントのケイ酸塩相に主に作用する今日までに開発された硬化促進剤は、ポルトランドセメントが部分的にまたは全体的に代替結合剤、特に、ポルトランドセメントの消費を低減するために使用される、石炭運転火力発電所からのフライアッシュまたは鋳鉄製造プロセスで得られる地上造粒高炉スラグのような他のタイプの製造に由来する工業的副産物に置き換えられる水力システムに対して等しく有効ではない。
これらの補助セメント質材料はより長い硬化時間(混合後60日)における機械的強度の発達にのみ寄与するが、短い硬化時間(24時間以下)ではそのような寄与はしない。その結果、15〜20%以下のポルトランドセメントを補足セメント質材料で置き換えることができ、さもなければ、コンクリート硬化段階において過剰な初期遅延が生じ、短い硬化時間で機械的性質が低下し、建設プロセスが許容できないほど遅くなる。実際に、注入されたコンクリートが自立するのに十分な機械的強度値に達するまで、鋼型は取り外すことができず、建設作業を進めることができない。
本発明は水性懸濁液中のC-S-Hシードに基づく新規な混和剤であって、ポルトランドセメントまたは他のケイ酸塩ベースの水硬性結合剤から得られ、セメント混合物の機械的強度の急速な発達を促進するのに非常に有効であり、同時に、今日までに開発された促進混和剤の欠点を全く示さない促進混和剤を製造することができる混和剤に関する。
本発明は、前記混和剤を得るための方法に関する。特に、本発明による方法は国際公開第2010026155号パンフレットに記載されている方法とは異なり、最終生成物にアルカリまたは硝酸イオンを導入せず、したがって、生成物がコンクリートに使用される場合に、アルカリ骨材反応および鉄筋の腐食を促進する危険性を増大させない。さらに、本発明による方法は米国特許第5,709,743号とは異なり、C-S-Hシードの最大効力および得られる懸濁液の安定性を確実にするための粉砕段階を必要としない。
本発明による混和剤は単独または炭酸ナトリウムとの配合物のいずれかで、フライアッシュおよび粉砕粒状高炉スラグのような補助セメント質材料を活性化するのに特に有効であり、ポルトランドセメントがほとんどまたは全く存在しない場合でさえ、それらの硬化を促進する。この特性は、短い硬化時間で機械的強度を損なうことなく、水硬性組成物中の補助セメント質材料の置換割合をかなり増加させる。
本発明の重要な態様は、ポルトランドセメント(またはケイ酸塩ベースの他の水硬性結合剤)の水和反応が、カルボン酸またはそのカルシウム塩、ポリエタノールアミンまたはそれらの混合物の存在下、水性懸濁液中で行われることである。驚くべきことに、水硬性結合剤の水和反応を、米国特許第5,709,743号に記載されているような純水中で行う代わりに、前記化合物、特にギ酸、酢酸またはそれらのカルシウム塩、モノエタノールアミン、ジエタノールアミンおよびトリエタノールアミン、イソプロパノールアミンまたはそれらの混合物の水溶液中で行うことによって、最終生成物の促進特性が驚くほど改善され、こうして得られた生成物の得られた水性懸濁液は完全に安定であり、もはや沈降プロセスの対象ではないことが見出された。
これらの結果は、本発明による生成物の形成をもたらす合成プロセスを特徴付ける水熱条件下での、反応媒体で極めて豊富であるカルシウムイオンと有機物質(カルボン酸またはアミノ化合物)との間の化合物の形成に起因すると思われる。一般にMOF(Metal-Organic Frameworks)と呼ばれるこれらの化合物は、本質的に、硬質有機結合剤と配位した金属イオンからなる結晶性材料であり、非常に高い多孔度を有する1次元、2次元または3次元構造を生成する。物質中の空の空間は、その体積の90%に達することができ、6000m/gを超え得る非常に大きな内表面積を有する(Zhou, H., Long, J.R. and Yaghi, O.M., Chem. Rev, 2012, 112 (2), pp. 673-674)。
実施例4の試料の環境制御型電子顕微鏡写真である。 比較例2の試料の環境制御型電子顕微鏡写真である。 実施例14の試料および実施例5の試料のXPRDスペクトルを示す図である。
本発明に従って使用されるカルボン酸またはそのカルシウム塩およびポリエタノールアミンの量は、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%の広い範囲内で変化する。ポルトランドセメント及び規格UNI−EN197−1:2006に記載されているその他のセメントの全種類は、本発明に便利に使用できる。
セメントの例は、クリンカーおよび石膏(タイプCEM I)のみに基づくもの、石灰石セメント(タイプCEM II/A-L、CEM II/B-L、CEM II/A-LL、CEM II/B-LL)、高炉スラグセメント(タイプCEM II/A-S、CEM II/B-S)、およびポゾランセメント(タイプCEM IV/A、CEM IV/B)である。最も高いケイ酸塩相含有量を有するセメントは、水和によって最大量のC-S-Hシードを生成することができるので、当然好ましい。
本発明の目的に有用な方法で結合剤の水和を発現させるのに必要な水の量は、W/B=1〜W/B=6、好ましくはW/B=1.5〜W/B=4、さらにより好ましくはW/B =2〜W/B=3の範囲の水/結合剤比の広い範囲内で変化する。
本発明による化合物を含有する水溶液中の結合剤の水和は、好ましくは撹拌タンクまたは反応器中で、大気圧および10℃〜90℃、好ましくは20℃〜80℃、さらにより好ましくは40℃〜60℃の範囲の温度で、2時間〜300時間の範囲の時間行われる。
撹拌はアンカーまたはローター撹拌機を用いて連続的または不連続的であり得、これは反応の間の塊の均質化を保証するために有効でなければならない。補助的な超分散系は、従来の撹拌系と都合よく結びつけることができる。
操作上の観点から、反応器またはタンクは、本発明による化合物が溶解される定められた量の水で満たされる。温度を反応のために定められた値に調節し、水硬性結合剤を撹拌しながら徐々に添加する。
水和反応は、分散剤、粘度制御剤または安定剤のような補助成分の存在下で実施して、最終生成物に所望の特性を与えることができる。使用することができる分散剤には、例えば、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、多糖誘導体およびホスホン化ポリマーが含まれる。使用することができる粘度制御剤は、炭酸ナトリウム;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)を含む群から選択される多糖誘導体、および/または(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好ましくは誘導される構造単位を含有する、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(コ)ポリマーまたは変性ポリ尿素である。ヒドロキシカルボン酸またはその塩、例えばクエン酸、リンゴ酸またはシュウ酸を安定剤として使用することができる。あるいは、前記補助成分が水和反応の終わりに添加することができる。
水和段階中または水和段階の終わりに炭酸ナトリウムまたは硫酸ナトリウムを添加すると、ポルトランドセメントが存在しなくても、フライアッシュ、粉砕粒状高炉スラグおよび焼成クレーなどの補助セメント質材料の水硬性が効果的に促進される。したがって、炭酸ナトリウムまたは硫酸ナトリウムと組み合わせて、本発明による混和剤は、「ジオポリマー」またはアルカリ活性化結合剤として知られる、ポルトランドセメントを使用しない水硬性混合物剤、すなわちアルミノケイ酸塩構造単位が炭酸ナトリウムに由来するナトリウムイオンと縮合する結合剤系の製造に都合よく使用することができる。添加される炭酸ナトリウムの使用可能な量は、水和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%の範囲である。
本発明による促進剤は場合により炭酸ナトリウムまたは硫酸ナトリウムと組み合わせて、「ジオポリマー」結合剤に基づく混和剤の活性化剤として、また通常の可塑化および超可塑化混和剤と組み合わせて使用することができ、この態様は、アルカリシリケートおよびアルカリ水酸化物に基づくものなどの一般的な「ジオポリマー」活性化剤が可塑剤および超可塑剤の使用と相容れないことが知られているので、最新技術のかなりの改善を表すことに留意されたい。
本発明による促進剤は混合水および他の混和剤と一緒にコンクリート製造ユニットに添加することができ、または場合により乾燥後に固体形態で、混和剤の他の成分、例えばセメント、フライアッシュまたは他の補助セメント質材料と予備混合することができる。本発明による促進剤は、クリンカー粉砕段階中に添加することもできる。本発明による促進剤の典型的な用量は、セメントミックスの製造に使用されるセメント質材料の重量の1%〜60%、好ましくは2%〜45%、さらにより好ましくは5%〜35%の範囲でよい。
本発明の詳細な特徴は、以下の実施例に記載される。
実施例1
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。
撹拌下、80℃の温度で6時間、水和反応を続けた。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2000gの生成物が得られ、105℃で測定した乾燥物質含量は32%であり、一定重量であった。
比較例1
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2
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。
広がり測定(spreading measurement)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時間および24時間の硬化後に測定した。モルタルの組成および特性を以下の表2に示す。他の2つのミックス(ミックス3およびミックス4)を比較のために作製した。ミックス3は、比較例1の生成物に、実施例1の生成物によってミックスに導入されたのと同じ量のギ酸カルシウム(2.5g)を別々に添加することによって作製した。ミックス4は、実施例1で導入されたのと同じ量(2.5g)のギ酸カルシウムのみを含有する。実施例1および比較例1の混和剤の割合は、いずれの場合も、セメントの重量のパーセンテージとして乾燥物質6.2%であった。
表2の結果から分かるように、本発明の実施例1の混和剤を含有するミックス1は、機械的強度を最も急速に発揮するものである(7時間硬化後14.5MPa)。
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。
この実施例の結果は、純水(比較例1)の代わりにギ酸カルシウム溶液(本発明による実施例1)中で水硬性結合剤の水和反応を実施することによって、最終生成物の促進特性が驚くほど改善され、この改善が同じ条件下で、等量のギ酸カルシウムと、ポルトランドセメントを水のみの中で水和することによって得られた混和剤との単なる組合せの効果を大幅に超えることを実証する(比較例1)。
実施例3
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。
以下の表4は、表3の処方に従って合成された生成物を用いて製造されたモルタルの特性を示す。
表4の結果から分かるように、酢酸カルシウム、モノエタノールアミンおよびトリエタノールアミンで製造された混和剤を用いて製造された混合物はすべて、短い硬化時間(7時間)で非常に高い機械的強度を発揮し、これは酢酸カルシウムのものと同一である。混和剤3COMPは最も強力なセメント促進剤の1つ硝酸カルシウムを用いて製造されるが、水のみを用いて合成された生成物(比較例1、表2、ミックス2)と同一の、はるかに低い機械的強度を発揮した。
実施例4
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。
比較例2
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5
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。
図1および2における画像の比較は、2つの生成物の微細構造における有意な差異を実証する。実際、ギ酸カルシウムなしで合成された比較例2(図2)の生成物は数ミクロンの寸法を有する粒子のセットの形態をとるが、10%ギ酸カルシウムの存在下で合成された実施例4の生成物(図1)は、非常に多数のサブミクロン粒子がより大きな粒子と会合している、完全に異なる構造を示す。この結果は、本発明による生成物の合成中にセメント水和生成物の微細構造を改質する際のギ酸カルシウムの驚くべき効果を実証している。
比表面積は、Beckman-Coulter SA3100装置を用いて、実施例4および比較例2の微細構造分析に使用したものと同じサンプルについてBET技術によって測定した。解析の結果は実施例3のサンプルについて154m/gの比表面積値、および比較例2のサンプルについて27m/gの値を示し、純水中で合成されたものと比較して、10%ギ酸カルシウムの存在下での合成生成物の比表面積の大幅な増大を実証する。これらの相違は、実施例4および比較例2の製品を用いたプラスチックモルタル試験で評価した2つの製品の促進特性に有意な影響を及ぼす。試験は、実施例2で報告したのと同じ方法で行った。結果を以下の表5に示す。
理解されるように、10%ギ酸カルシウムで合成された、本発明による実施例4の混和剤を含有するミックス10は、純水中で合成された比較例2の混和剤で製造されたミックス11のものよりも約10倍大きい機械的強度を、6時間および7時間の硬化後に発揮した。
実施例6
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。
比較例3
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。
比較例4
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7
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。
異なる混和剤の用量は、乾燥ベース上の同量の混和剤、すなわちセメントの重量の5%が全ての場合に添加されることを確実にするように調節された。
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。全ての混和剤は、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和剤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にし、標準的な実験室条件(20℃および95% R/H)下で硬化させた。6時間および7時間の硬化後に圧縮強度を測定し、その結果を以下の表6に示す。
表6に示す結果は実施例6の生成物が米国特許第5,709,743号の教示に従って合成された比較例3および4の生成物よりも、短い硬化時間(6時間および7時間)での機械的強度の発達を大幅に促進し、これはセメント水和段階の間の湿式粉砕工程の手段によって生成物の微細度を増加させることを含むことを実証する。
実施例8
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9
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。
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。全ての混和剤は水/結合剤比W/B=0.42で作られ、ここで、「結合剤」はセメントとフライアッシュの合計を意味する。混合水は、39%の乾燥重量を有する実施例8の生成物との混和剤に導入された水を含めることによって計算された。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時間、24時間および90日の硬化後に測定した。結果を以下の表8に示す。
表8に示すプラスチックモルタル試験の結果は、本発明による混和剤がフライアッシュを大量に含有する混和剤においてさえ、それらの最終的な長期強度(90日)に影響を及ぼすことなく、短い硬化時間(7時間)で機械的強度の発達を促進することを示す。実際、実施例8の促進剤の存在下では、ポルトランドセメントのみで製造された混和剤とは異なり、セメント質混合物中へのフライアッシュの導入によって引き起こされる短い硬化時間での遅延を排除することが可能であるだけでなく、その値を増大させることも可能である。実際、32%のセメントをフライアッシュで置き換えることにより、7時間後の強度は1.2MPa(ミックス15)から7.3MPa(ミックス16)に増加し、その44%を置き換えることにより4.3MPa(ミックス17)に増加した。67%の置換割合(ミックス18)については、7時間の硬化後の圧縮強度がポルトランドセメントのみを含む参照ミックス(ミックス15)の圧縮強度と同じである。本発明による実施例8の促進剤が存在しない場合、それが依然として柔らかすぎるため(ミックス19)、7時間後では不可能である。
実施例10
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。
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/結合剤比W/B=0.42で作られ、ここで、「結合剤」はセメントとスラグの合計を意味する。混合水は、39%の乾燥重量を有する実施例7の生成物との混合物に導入された水を含めることによって計算された。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時間、24時間および90日の硬化後に測定した。結果を以下の表10に示した。
表10に示すモルタル試験の結果は、本発明の実施例8の混合物が大量のスラグを含有する混合物においてさえ、それらの最終的な長期強度(90日)を損なうことなく、短い硬化時間(7時間)での機械的強度の発達を促進することを示す。実際、実施例8の促進剤の存在下では、スラグをセメント質混合物に導入することによって引き起こされる短い硬化時間での遅延を排除するだけでなく、ポルトランドセメントのみで作られた混合物とは異なり、短い硬化時間(7時間)での機械的強度値を増加させることも可能である。実際、セメントの32%がスラグで置き換えられると、7時間後の強度は1.2MPa(ミックス15)から9.8MPa(ミックス20)に増加し、44%が置き換えられると、5.5MPa(ミックス21)に増加する。67%の置換値(ミックス22)については、7時間の硬化後の圧縮強度がポルトランドセメントのみを用いた参照混合物(ミックス15)の圧縮強度よりも依然として大きい。本発明による実施例8の促進剤が存在しない場合、7時間後には、試料が依然として柔らかすぎる(混合物23)ので、脱型は不可能である。
実施例11
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。
合成で得られた生成物を、各750gの3つのアリコートに分割した。それらのうちの1つは何もせずに維持し、一方、粉末炭酸ナトリウムNa2CO3の異なるアリコートが他の2つに添加された。撹拌下で添加を行い、混合物の水性懸濁液に粉末状炭酸塩を10分で添加した。炭酸ナトリウムの添加は、水性懸濁液の粘度の増加をもたらした。添加終了後30分間撹拌を続けた。以下の表11に示したサンプルが調整された。
実施例12
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。
表12のプラスチックモルタル試験の結果は、実施例11の混和剤と炭酸ナトリウムとの組み合わせによって生成される機械的強度の発達に対する好ましい効果を実証する。フライアッシュ単独では水硬性を示さず、実際、フライアッシュのみに基づくミックス24は、28日間の硬化後でさえも機械的強度を発現しない。炭酸ナトリウムを含まない実施例11の混和剤の添加は、フライアッシュの適度な活性化を生じた(2.5MPa、28日間の硬化後、ミックス25)。炭酸ナトリウムと本発明による混和剤との組み合わせは試験片の圧縮強度を漸進的に改善し(ミックス26および27)、この結果はミックス27と同じ用量で添加された炭酸ナトリウム単独がフライアッシュ(ミックス28)の機械的強度の発達に何ら寄与しないことを念頭に置くと、明らかに驚くべきことである。
実施例13
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。
表13のプラスチックモルタル試験の結果は、本発明による混和剤と炭酸ナトリウムとの組み合わせによって生成される機械的強度の発達に対する好ましい効果を実証している。フライアッシュの場合のように、溶鉱炉スラグ単独では水硬性を示さず、実際には、GGBFSのみに基づくミックス29が28日間の硬化後でさえ、機械的強度を発現しない。炭酸ナトリウムと本発明による混和剤との組み合わせは、24時間の硬化後の試験片の圧縮強度を漸進的に改善する(ミックス31および32)。ミックス31と同じ用量で添加された炭酸ナトリウム単独が、24時間後(ミックス33)のGGBFSの機械的強度の発達を全く促進しないことを念頭に置くと、この結果は明らかに驚くべきことである。
実施例14
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。
比較例5
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15
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。
表14に示す結果は、本発明による混和剤の促進効果がポリエーテルカルボキシレートベースの分散剤の添加によって実質的に影響されないことを示す。実際、実施例15の混和剤を含有するミックス34は、参照(ミックス36)と比較してかなりの促進効果を示す。逆に、超可塑剤のみに基づく比較例5の生成物を含有するミックス(ミックス35)は分散ポリマー単独では加速効果を全く発揮しないが、実際には参照ミックスと比較して水和の初期遅延を引き起こすことを実証する。
実施例16
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)または790(オングストローム)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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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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