特開 2022-145480 水硬性材料

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022145480

(43)【公開日】2022-10-04

(54)【発明の名称】水硬性材料

(51)【国際特許分類】

   C04B 28/04 20060101AFI20220926BHJP

   C04B 22/14 20060101ALI20220926BHJP

   C04B 22/12 20060101ALI20220926BHJP

   C04B 22/10 20060101ALI20220926BHJP

   C04B 22/08 20060101ALI20220926BHJP

   C04B 18/14 20060101ALI20220926BHJP

   C04B 22/16 20060101ALI20220926BHJP

【ＦＩ】

C04B28/04

C04B22/14 B

C04B22/14 A

C04B22/12

C04B22/10

C04B22/08 B

C04B18/14 A

C04B22/16 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021205873

(22)【出願日】2021-12-20

(31)【優先権主張番号】P 2021044785

(32)【優先日】2021-03-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】521297587

【氏名又は名称】ＵＢＥ三菱セメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091904

【弁理士】

【氏名又は名称】成瀬 重雄

(72)【発明者】

【氏名】門田 浩史

(72)【発明者】

【氏名】下坂 建一

(72)【発明者】

【氏名】中川 昭人

(72)【発明者】

【氏名】吉田 友香

(72)【発明者】

【氏名】松島 正明

【テーマコード（参考）】

4G112

【Ｆターム（参考）】

4G112MB04

4G112MB06

4G112MB08

4G112MB12

4G112MB42

4G112PA29

4G112PB07

4G112PB08

4G112PB09

4G112PB10

4G112PB11

4G112PB13

4G112PC12

(57)【要約】

【課題】ポルトランドセメントを少量しか含まなくても高強度のモルタルを製造可能な水硬性材料を提供する。
【解決手段】水硬性材料は、ポルトランドセメント、石膏粉末、高炉スラグ粉末及び刺激剤を含んでいる。刺激剤は、ナトリウムイオン、カルシウムイオンまたはマグネシウムイオンと、リン酸イオン、リン酸一水素イオン、リン酸二水素イオン、亜硝酸イオン、チオ硫酸イオン、塩化物イオン、硫酸イオン、炭酸イオンまたはフッ化物イオンとが互いにイオン結合している化合物である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ポルトランドセメント、石膏粉末、高炉スラグ粉末及び刺激剤を含む水硬性材料であって、
前記刺激剤は、ナトリウムイオン、カルシウムイオンまたはマグネシウムイオンと、リン酸イオン、リン酸一水素イオン、リン酸二水素イオン、亜硝酸イオン、チオ硫酸イオン、塩化物イオン、硫酸イオン、炭酸イオンまたはフッ化物イオンとが互いにイオン結合している化合物であることを特徴とする水硬性材料。

【請求項2】

前記刺激剤は、２種類の前記化合物の混合物であることを特徴とする請求項１に記載の水硬性材料。

【請求項3】

前記刺激剤は、リン酸一水素ナトリウム、塩化ナトリウム、亜硝酸カルシウム、塩化カルシウム、硫酸マグネシウム、炭酸マグネシウム、塩化マグネシウム及びリン酸三マグネシウムのうちの少なくとも１つ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の水硬性材料。

【請求項4】

前記刺激剤は、第１の刺激剤と第２の刺激剤とを含んでおり、
前記第１の刺激剤は、リン酸一水素ナトリウムまたはリン酸三マグネシウムの無水物または水和物であり、
前記第２の刺激剤は、亜硝酸カルシウムまたは塩化カルシウムの無水物または水和物であることを特徴とする請求項１に記載の水硬性材料。

【請求項5】

前記第１の刺激剤に対する前記第２の刺激剤の質量比が1.5以上であることを特徴とする請求項４に記載の水硬性材料。

【請求項6】

前記高炉スラグ粉末に対する前記刺激剤の質量比が0.0400以上0.0700以下であることを特徴とする請求項４または５に記載の水硬性材料。

【請求項7】

前記ポルトランドセメントが、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメントのいずれか、あるいはこれらの２つ以上のものを混合したものであることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の水硬性材料。

【請求項8】

前記石膏粉末が、無水石膏粉末、二水石膏粉末のいずれか１つ、あるいは、これらの混合物であることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の水硬性材料。

【請求項9】

前記ポルトランドセメント、前記石膏粉末、前記高炉スラグ粉末及び前記刺激剤の合計質量に対する、前記ポルトランドセメントの質量の比率が３％以下であることを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の水硬性材料。

【請求項10】

前記ポルトランドセメント、前記石膏粉末、前記高炉スラグ粉末及び前記刺激剤の合計質量に対する、前記石膏粉末の質量の比率が５％以上１７％以下であることを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載の水硬性材料。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水硬性材料に関するものである。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１には、ポルトランドセメント、無水石膏粉末及び高炉スラグ粉末を含む水硬性材料が記載されている。また、同文献には、水硬性材料と水とを練り混ぜることにより、高強度のモルタルを製造することが記載されている。この水硬性材料のポルトランドセメント含有率は９０質量％以上とされている。

【0003】

ところで、ポルトランドセメントを製造するためにはセメント焼成工程が必要である。このセメント焼成工程からは多量の二酸化炭素が排出される。このため、二酸化炭素排出量削減の観点から、水硬性材料に使用するポルトランドセメントの量を減らすことが好ましい。しかしながら、水硬性材料としてポルトランドセメントを少量しか用いない場合には、水硬性材料から製造されるモルタルの強度が不足する傾向があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－１８３３３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

そこで、本発明者は、この点に関して種々の研究を進めた結果、水硬性材料においてポルトランドセメントが少量しか含まれていなくても、所定の刺激剤を水硬性材料に混入させることにより高強度のモルタルが製造可能にな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あって、ポルトランドセメントを少量しか含まなくても高強度のモルタルを製造可能な水硬性材料を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の第一項目に係る水硬性材料は、ポルトランドセメント、石膏粉末、高炉スラグ粉末及び刺激剤を含んでいる。前記刺激剤は、ナトリウムイオン、カルシウムイオンまたはマグネシウムイオンと、リン酸イオン、リン酸一水素イオン、リン酸二水素イオン、亜硝酸イオン、チオ硫酸イオン、塩化物イオン、硫酸イオン、炭酸イオンまたはフッ化物イオンとが互いにイオン結合している化合物である。

【0007】

第一項目によれば、ポルトランドセメントを少量しか含まなくても高強度のモルタルを製造することができる。なお、この点については、後述する試験例で詳細に説明する。

【0008】

本発明の第二項目に係る水硬性材料は、前記刺激剤が２種類の前記化合物の混合物であるものである。

【0009】

第二項目によれば、さらに高強度のモルタルを製造することができる。なお、この点については後述する試験例で詳細に説明する。

【0010】

本発明の第三項目に係る水硬性材料は、前記刺激剤がリン酸一水素ナトリウム、塩化ナトリウム、亜硝酸カルシウム、塩化カルシウム、硫酸マグネシウム、炭酸マグネシウム、塩化マグネシウム及びリン酸三マグネシウムのうちの少なくとも１つ以上であるものである。

【0011】

第三項目によれば、さらに高強度のモルタルを製造することができる。なお、この点については後述する試験例で詳細に説明する。

【0012】

ここで、前記ポルトランドセメントとしては、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメントのいずれか１つ、あるいはこれらの２つ以上のものを混合したもの使用することができる。前記石膏粉末としては、例えば、無水石膏粉末、二水石膏粉末のいずれか１つ、あるいは、これらの混合物を使用することができる。

【0013】

本発明の第四項目に係る水硬性材料は、前記ポルトランドセメント、前記石膏粉末、前記高炉スラグ粉末及び前記刺激剤の合計質量に対する、前記ポルトランドセメントの質量の比率が３％以下であるものである。

【0014】

第四項目によれば、さらに高強度のモルタルを製造することができる。なお、この点については後述する試験例で詳細に説明する。

【0015】

本発明の第五項目に係る水硬性材料は、前記合計質量に対する前記石膏粉末の質量の比率が５％以上１７％以下であるものである。

【0016】

第五項目によれば、さらに高強度のモルタルを製造することができる。なお、この点については後述する試験例で詳細に説明する。

【0017】

上記の第一項目に係る水硬性材料から高強度のモルタルを製造するためには、前記刺激剤が第１の刺激剤と第２の刺激剤とを含んでおり、前記第１の刺激剤がリン酸一水素ナトリウムまたはリン酸三マグネシウムの無水物または水和物であり、前記第２の刺激剤が亜硝酸カルシウムまたは塩化カルシウムの無水物または水和物であると特に好ましい。また、前記第１の刺激剤に対する前記第２の刺激剤の質量比が1.5以上であり、あるいは／かつ、前記高炉スラグ粉末に対する前記刺激剤の質量比が0.0400以上0.0700以下であるとさらに好ましい。

【発明の効果】

【0018】

以上のように、本発明によれば、ポルトランドセメントを少量しか含まなくても高強度のモルタルを製造可能な水硬性材料を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る水硬性材料の試験例における結果を示すグラフであって、水硬性材料における刺激剤の比率とモルタルの圧縮強さとの関係を示している。

【図2】図２は、本発明の一実施形態に係る水硬性材料の試験例における結果を示すグラフであって、水硬性材料に使用した刺激剤の種類とモルタルの圧縮強さとの関係を示している。

【図3】図３は、本発明の一実施形態に係る水硬性材料の試験例における結果を示すグラフであって、水硬性材料に使用した刺激剤の種類及び組み合わせとモルタルの圧縮強さとの関係を示している。

【図4】図４は、本発明の一実施形態に係る水硬性材料の試験例における結果を示すグラフであって、水硬性材料における高炉スラグ粉末含有率とモルタルの圧縮強さとの関係を示している。

【図5】図５は、本発明の一実施形態に係る水硬性材料の試験例における結果を示すグラフであって、水硬性材料におけるポルトランドセメント含有率とモルタルの圧縮強さとの関係を示している。

【図6】図６は、本発明の一実施形態に係る水硬性材料の試験例における結果を示すグラフであって、水硬性材料における石膏粉末含有率とモルタルの圧縮強さとの関係を示している。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本発明の一実施形態に係る水硬性材料について説明する。水硬性材料には、ポルトランドセメント、石膏粉末、高炉スラグ粉末及び刺激剤が含まれている。

【0021】

刺激剤は、ナトリウムイオン、カルシウムイオンまたはマグネシウムイオンと、リン酸イオン、リン酸一水素イオン、リン酸二水素イオン、亜硝酸イオン、チオ硫酸イオン、塩化物イオン、硫酸イオン、炭酸イオンまたはフッ化物イオンとが互いにイオン結合している化合物である。この化合物は水和物であってもよい。

【0022】

水硬性材料と水と細骨材とを混練して高強度のモルタルを製造するためには、刺激剤として２種類の上記化合物の混合物を使用することが好ましい。さらに、刺激剤として、リン酸一水素ナトリウム、塩化ナトリウム、亜硝酸カルシウム、塩化カルシウム、硫酸マグネシウム、炭酸マグネシウム、塩化マグネシウム及びリン酸三マグネシウムのうちの少なくとも１つ以上を使用することが好ましく、塩化ナトリウムを除く上記７つの刺激剤を使用することが特に好ましい。

【0023】

ポルトランドセメントとしては、例えば、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメントのいずれか、あるいはこれらの２つ以上のものを混合したものを使用することができる。石膏粉末としては、無水石膏粉末、二水石膏粉末のいずれか１つ、あるいは、これらの混合物を使用することができる。

【0024】

水硬性材料と水と細骨材とを混練して高強度のモルタルを製造するためには、ポルトランドセメント、石膏粉末、高炉スラグ粉末及び刺激剤の合計質量に対するポルトランドセメントの質量の比率を３％以下にすることが好ましい。また、この合計質量に対する石膏粉末の質量の比率を５％以上１７％以下にすることが好ましく、この比率を７％以上１２％以下にすることがさらに好ましい。

【0025】

高炉スラグ粉末の比表面積は、例えば3800cm²/g以上4300cm²/g以下である。この明細書において、比表面積とは、ブレーン空気透過装置を用いて測定される比表面積を意味している。この比表面積の具体的な測定法は「JIS R 5201」に規定されている。

【0026】

本実施形態に係る水硬性材料から高強度のモルタルを製造するためには、刺激剤が第１の刺激剤と第２の刺激剤とを含んでおり、第１の刺激剤がリン酸一水素ナトリウムまたはリン酸三マグネシウムの無水物または水和物であり、第２の刺激剤が亜硝酸カルシウムまたは塩化カルシウムの無水物または水和物であると特に好ましい。第１の刺激剤に対する第２の刺激剤の質量比が1.5以上7.0以下であるとさらに好ましい。また、高炉スラグ粉末に対する刺激剤の質量比（すなわち、高炉スラグ粉末の質量に対する第１の刺激剤と第２の刺激剤との合計質量の比率）が0.0400以上0.0700以下であるとさらに好ましい。

【0027】

次に、本発明の一実施形態に係る水硬性材料の試験例及びその比較例について説明する。表２に示す試験例Ａ１～Ａ４、表３に示す試験例Ｂ１～Ｂ２１並びに表５に示す試験例Ｃ１～Ｃ８においては、普通ポルトランドセメント、石膏粉末、高炉スラグ粉末及び刺激剤を混合して水硬性材料を作製した。表２に示す比較例１においては、刺激剤を用いず、普通ポルトランドセメント、石膏粉末及び高炉スラグ粉末を混合して水硬性材料を作製した。

【0028】

なお、石膏粉末としては、比表面積が4680cm^２/gのもの（添川理化学社製II型無水石膏）を用いた。また、普通ポルトランドセメントとは、セメントクリンカ粉末、二水石膏粉末及び半水石膏粉末からなる混合粉末であり、JIS R 5210に規定されるものである。

【0029】

さらに、これら比較例及び試験例において、この水硬性材料と細骨材及び水とを練り混ぜて混練物を作製した。具体的には、水硬性材料450ｇ、細骨材1350ｇ、水225ｇを秤取り、これらをJIS R 5201「セメントの物理試験方法」に準じてホバートミキサにより練り混ぜた。練り上がった混練物を内寸法４×４×16cmの鋼製型枠を用いて成形した。成形24時間後に脱型して強さ試験の材齢まで20℃の室内で封かん養生した。これにより、モルタルを得た。そして、このモルタルの圧縮強さを測定した。圧縮強さは、JIS R 5201「セメントの物理試験方法」に準じて測定したものである。

【0030】

表１は、比較例１、試験例Ａ１～Ａ４、試験例Ｂ１～Ｂ２１及び試験例Ｃ１～Ｃ８において使用した高炉スラグ粉末のパラメータである化学組成（ig.lossから塩基度まで）及び密度（g/cm³）を示している。化学組成の単位は質量％である。

【0031】

【表1】

【0032】

表２は、水硬性材料における刺激剤の比率とモルタルの圧縮強さとの関係を示している。ここで、刺激剤の比率とは、ポルトランドセメント、石膏粉末及び高炉スラグ粉末からなる混合粉末の質量に対する刺激剤の質量の比率を意味している。表２に示す比較例１及び試験例Ａ１～Ａ４においては、混合粉末におけるポルトランドセメント含有率を３質量％とし、混合粉末における石膏粉末含有率を３０質量％とし、混合粉末における高炉スラグ粉末含有率を６７質量％とした。試験例Ａ１～Ａ４においては、刺激剤として亜硝酸カルシウムを使用した。

【0033】

【表2】

【0034】

表２において、「材齢３日」の項目は、モルタルの材齢が３日である時点におけるモルタルの圧縮強さ（以下「３日強度」という。）を示している。「材齢７日」の項目は、モルタルの材齢が７日である時点におけるモルタルの圧縮強さ（以下「７日強度」という。）を示している。「材齢２８日」の項目は、モルタルの材齢が２８日である時点におけるモルタルの圧縮強さ（以下「２８日強度」という。）を示している。この点については、後述する表３、５、７及び８においても同様である。

【0035】

図１は、表２に示す比較例１及び試験例Ａ１～Ａ４における結果を示すグラフであって、上記混合粉末の質量に対する刺激剤の質量の比率とモルタルの圧縮強さとの関係を示している。図１に示すように、刺激剤の質量の比率が増加するにつれて、すなわち、水硬性材料における刺激剤含有率が増加するにつれてモルタルの３日強度、７日強度及び２８日強度が全て高まっている。つまり、水硬性材料に刺激剤を混入させることにより、水硬性材料に刺激剤を混入させない場合に比較して高強度のモルタルを製造することができると考えられる。

【0036】

表３は、試験例Ｂ１～Ｂ２１において使用した刺激剤の種類、配合パターン、刺激剤含有率、及びモルタルの圧縮強さの関係を示している。ここで、配合パターンとは、表４に示す水硬性材料の組成を意味している。

【0037】

【表3】

【0038】

【表4】

【0039】

試験例Ｂ１～Ｂ２１においては、表３に示す通り、刺激剤として亜硝酸ナトリウム（亜硝Ｎａ）、チオ硫酸ナトリウム（チオＮａ）、リン酸一水素ナトリウム（リンＮａ）、炭酸ナトリウム（炭酸Ｎａ）、塩化ナトリウム（塩化Ｎａ）、亜硝酸カルシウム（亜硝Ｃａ）、塩化カルシウム（塩化Ｃａ）、フッ化カルシウム（フッ化Ｃａ）、炭酸カルシウム（炭酸Ｃａ）、硫酸マグネシウム（硫酸Ｍｇ）、炭酸マグネシウム（炭酸Ｍｇ）または塩化マグネシウム（塩化Ｍｇ）を使用した。

【0040】

図２は、表３に示す試験例Ｂ１～Ｂ２１のうちの一部における結果を示すグラフであって、水硬性材料に使用した刺激剤の種類とモルタルの圧縮強さとの関係を示している。図２に示す棒グラフは、左からそれぞれ試験例Ｂ１、Ｂ２、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｂ８、Ｂ１０～Ｂ１４及びＢ１６におけるモルタルの圧縮強さを示している。図２の横軸には、これらの試験例において使用した刺激剤の種類を記載した。

【0041】

表３に示すように、いずれの試験例においてもモルタルの２８日強度は少なくとも１０N/mm²程度までは高まっている。特に、刺激剤として、リン酸一水素ナトリウム、塩化ナトリウム、亜硝酸カルシウム、塩化カルシウム、硫酸マグネシウム、炭酸マグネシウムまたは塩化マグネシウムを使用した場合には、モルタルの２８日強度がいずれも１４N/mm²を超えている。さらに、上記のうち塩化ナトリウムを除く６つの刺激剤を使用した場合には、モルタルの２８日強度がいずれも２０N/mm²を超えている。

【0042】

図３は、表３に示す試験例Ｂ１～Ｂ２１のうちの一部における結果を示すグラフであって、水硬性材料に使用した刺激剤の種類及び組み合わせとモルタルの圧縮強さとの関係を示している。図３に示す棒グラフは、左からそれぞれ試験例Ｂ７、Ｂ８、Ｂ１５、Ｂ１６、Ｂ９、Ｂ１０、Ｂ３、Ｂ４及びＢ１７～Ｂ２０におけるモルタルの圧縮強さを示している。図３の横軸には、これらの試験例において使用した刺激剤の種類及び組み合わせを記載した。

【0043】

表３に示すように、試験例Ｂ１～Ｂ１６においては１種類の化合物を刺激剤として使用したのに対し、試験例Ｂ１７～Ｂ２１においては２種類の化合物の混合物を刺激剤として使用した。そして、表３に示すように、試験例Ｂ１～Ｂ１６においてはモルタルの２８日強度が最高で42.2N/mm²であったのに対し、試験例Ｂ１７～Ｂ２１においてはモルタルの２８日強度がいずれも45N/mm²を超えた。

【0044】

図４は、表３に示す試験例Ｂ１～Ｂ２１のうちの一部における結果を示すグラフであって、水硬性材料における高炉スラグ粉末含有率とモルタルの圧縮強さとの関係を示している。図４に示す棒グラフは、左から試験例Ｂ１７～Ｂ２１におけるモルタルの圧縮強さをそれぞれ示している。図４の横軸には、これらの試験例において使用した水硬性材料における高炉スラグ粉末含有率を記載した。

【0045】

表３に示すように、試験例Ｂ２０、Ｂ２１においては同一の刺激剤を使用している。そして、図４に示すように、試験例Ｂ２０においては高炉スラグ粉末含有率が65.33質量％であるのに対し、試験例Ｂ２１においては高炉スラグ粉末含有率が77.90質量％である。また、試験例Ｂ２０においてはモルタルの２８日強度は54.0N/mm²であるのに対し、試験例Ｂ２１においてはモルタルの２８日強度が64.3N/mm²になっている。

【0046】

つまり、試験例Ｂ２０、Ｂ２１を比較すると、水硬性材料における高炉スラグ粉末含有率が増加することによりモルタルの２８日強度が高まったことが分かる。なお、試験例Ｂ２１においては、試験例Ｂ１７～Ｂ１９に比較しても高炉スラグ粉末含有率が高く、その分だけモルタルの２８日強度が高くなっている。

【0047】

よって、図１～図４に示す結果から次の結論を導出することができる。ポルトランドセメント、石膏粉末、高炉スラグ粉末及び刺激剤を含む水硬性材料において、刺激剤として表３に示す化合物を使用すれば、刺激剤を使用しない場合に比較して高強度のモルタルを製造することができる。すなわち、この化合物としては、表３に示すように、亜硝酸ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、リン酸一水素ナトリウム、炭酸ナトリウム、塩化ナトリウム、亜硝酸カルシウム、塩化カルシウム、フッ化カルシウム、炭酸カルシウム、硫酸マグネシウム、炭酸マグネシウムまたは塩化マグネシウムが挙げられる。

【0048】

特に、表３及び図３に示されるように、刺激剤として２種類の上記化合物の混合物を使用すれば、さらに高強度のモルタルを製造することができる。また、刺激剤としてリン酸一水素ナトリウム、塩化ナトリウム、亜硝酸カルシウム、塩化カルシウム、硫酸マグネシウム、炭酸マグネシウムまたは塩化マグネシウムを使用すれば、さらに高強度のモルタルを製造することができる。特に、刺激剤として上記のうち塩化ナトリウムを除く６つの刺激剤を使用すれば、モルタルの２８日強度を20N/mm²以上にすることができる。

【0049】

ここで、このような刺激剤によりモルタルの２８日強度が高まった原理について検討する。図４に示すように、水硬性材料における高炉スラグ粉末含有率が増加するとモルタルの２８日強度も高まった。すなわち、水硬性材料と水との混練時において、刺激剤に含まれるイオンと高炉スラグ粉末とが反応したことによりモルタルの２８日強度が高まったと考えられる。よって、表３に示す刺激剤に含まれるイオンと同様のイオンが含まれる刺激剤であれば、モルタルの２８日強度を高めることができると考えられる。

【0050】

つまり、刺激剤として使用する化合物としては、ナトリウムイオン、カルシウムイオンまたはマグネシウムイオンと、リン酸一水素イオン、亜硝酸イオン、チオ硫酸イオン、塩化物イオン、硫酸イオン、炭酸イオンまたはフッ化物イオンとが互いにイオン結合している化合物であればよいと考えられる。

【0051】

また、リン酸一水素イオンは、水硬性材料と水との混練時においてリン酸二水素イオンに変化してモルタルの２８日強度を高めたと考えられる。このため、リン酸二水素イオンとナトリウムイオン、カルシウムイオンまたはマグネシウムイオンとがイオン結合している化合物を刺激剤として使用することもできる。また、水中でリン酸二水素イオンに変化するリン酸イオンとナトリウムイオン、カルシウムイオンまたはマグネシウムイオンとがイオン結合している化合物を刺激剤として使用することもできる。

【0052】

表５は、水硬性材料の組成とモルタルの圧縮強さとの関係を示している。試験例Ｃ１～Ｃ８においては、水硬性材料における刺激剤含有率を全て５質量％とし、刺激剤として塩化カルシウムとリン酸一水素ナトリウムとの混合物を使用した。試験例Ｃ１～Ｃ４においては、互いにポルトランドセメント含有率が同一であって石膏粉末含有率が異なっている。試験例Ｃ２、Ｃ５～Ｃ８においては、互いにポルトランドセメント含有率が異なっていて石膏粉末含有率が同一である。

【0053】

【表5】

【0054】

図５は、表５に示す試験例Ｃ１～Ｃ８のうちの一部における結果を示すグラフであって、水硬性材料におけるポルトランドセメント含有率とモルタルの圧縮強さとの関係を示している。具体的には、図５に示す各プロットは、表５に示す試験例Ｃ２、Ｃ５～Ｃ８に係るものである。

【0055】

図５に示すように、ポルトランドセメント含有率が３質量％以下であればモルタルの２８日強度は50N/mm²を超える。しかし、ポルトランドセメント含有率が３質量％から２０質量％程度までの間では、ポルトランドセメント含有率が３質量％以下である場合よりも２８日強度が低下する。

【0056】

よって、図５に示す結果から次の結論を導出することができる。ポルトランドセメント、石膏粉末、高炉スラグ粉末及び刺激剤を含む水硬性材料において、ポルトランドセメント、石膏粉末、高炉スラグ粉末及び刺激剤の合計質量に対するポルトランドセメントの質量の比率が３％以下であることにより、水硬性材料においてポルトランドセメントが少量しか含まれていなくても、さらに高強度のモルタルを製造することができる。

【0057】

図６は、表５に示す試験例Ｃ１～Ｃ８のうちの一部における結果を示すグラフであって、水硬性材料における石膏粉末含有率とモルタルの圧縮強さとの関係を示している。具体的には、図６に示す各プロットは、表５に示す試験例Ｃ１～Ｃ４に係るものである。

【0058】

図６に示すように、石膏粉末含有率とモルタルの２８日強度との関係を示すグラフは、上に凸の曲線になると推測される。そして、これに基づいて考えると、石膏粉末含有率が５質量％以上１７質量％以下であれば、石膏粉末含有率が当該範囲の外にある場合に比較してモルタルの２８日強度が高くなると考えられる。特に、石膏粉末含有率が７質量以上１２質量％以下であれば、モルタルの２８日強度は５０N/mm²を超えると考えられる。

【0059】

よって、図６に示す結果から次の結論を導出することができる。ポルトランドセメント、石膏粉末、高炉スラグ粉末及び刺激剤を含む水硬性材料において、ポルトランドセメント、石膏粉末、高炉スラグ粉末及び刺激剤の合計質量に対する石膏粉末の質量の比率が５％以上１７％以下であることにより、水硬性材料においてポルトランドセメントが少量しか含まれていなくても、さらに高強度のモルタルを製造することができる。特に、この比率が７％以上１２％以下であることにより、モルタルの２８日強度を５０N/mm²以上にすることができる。

【0060】

水硬性材料における刺激剤が１種類であるよりも２種類であるとモルタルの強度が高まることについては上述した通りである。さらに、表３に示す試験例Ｂ１９～Ｂ２１（刺激剤としてリン酸一水素ナトリウムと塩化カルシウム又は亜硝酸カルシウムとを組み合わせて使用したもの）と試験例Ｂ１７、Ｂ１８（刺激剤として塩化マグネシウムと塩化カルシウム又は亜硝酸カルシウムとを組み合わせて使用したもの）とを比較すると、試験例Ｂ１９～Ｂ２１のいずれにおいても、試験例Ｂ１７、Ｂ１８に比較してモルタルの３日強度、７日強度及び２８日強度が全て高まっている。このことから、この２種類の刺激剤の組み合わせとしてリン酸一水素ナトリウムと塩化カルシウム又は亜硝酸カルシウムとを用いると特に好ましいことが分かる。

【0061】

塩化カルシウム又は亜硝酸カルシウムに組み合わせる刺激剤として、リン酸イオンを含む化合物を使用する場合には、リン酸一水素ナトリウムを使用する場合と同様、モルタルの製造工程（すなわち、ポルトランドセメントの混練工程）においてリン酸二水素イオンが生じて高炉スラグ粉末を刺激すると考えられる。このことから、リン酸一水素ナトリウムに代えてリン酸イオンを含む化合物を塩化カルシウム又は亜硝酸カルシウムと組み合わせて使用する場合においても、試験例Ｂ１９～Ｂ２１と同程度の強度のモルタルを製造することができると想定される。

【0062】

以下において、刺激剤としてリン酸三マグネシウム（リン酸イオンを含む化合物）と塩化カルシウム又は亜硝酸カルシウムとを組み合わせて使用する場合におけるモルタルの強度を確認及び比較検討するための、試験例Ｄ１～Ｄ４、Ｅ１～Ｅ４及びその比較例２について説明する。これらの試験例及び比較例に関しては、上述した試験例Ａ１と異なる点についてのみ説明し、それ以外の点については説明を省略する。

【0063】

表６は、比較例２、試験例Ｄ１～Ｄ４及びＥ１～Ｅ４において使用した高炉スラグ粉末のパラメータである化学組成（「ig.loss」の項目から「Total」の項目まで）、密度（g/cm³）及び比表面積（cm²/g）を示している。化学組成の単位は質量％である。「Total」とは、表６に示す「ig.loss」から「MnO」までの項目の数値の合計値である。

【0064】

【表6】

【0065】

表７は、水硬性材料における刺激剤の種類及び割合とモルタルの圧縮強さとの関係を示している。表７における「刺激剤の種類及び割合」の項目は、試験例Ｄ１～Ｄ４及びＥ１～Ｅ４において使用した刺激剤の種類と含有率とを意味している。

【0066】

【表7】

【0067】

表７に示す試験例Ｄ１～Ｄ４及びＥ１～Ｅ４においては、水硬性材料におけるポルトランドセメント含有率を３質量％とし、水硬性材料における高炉スラグ粉末含有率を８２質量％とし、水硬性材料における無水石膏粉末含有率を１０質量％とし、水硬性材料における刺激剤含有率（刺激剤を２種類使用する試験例Ｅ１～Ｅ４においては２種類の刺激剤の合計含有率）を５質量％とした。表７に示す比較例２においては、ポルトランドセメント含有率及び無水石膏粉末含有率については試験例Ｄ１～Ｄ４及びＥ１～Ｅ４と同じであるが、刺激剤を使用しない代わりに高炉スラグ粉末含有率を８７質量％に調整した。

【0068】

表７に示すように、試験例Ｄ４においては、試験例Ｄ１～Ｄ３及び比較例２に比較してモルタルの２８日強度が高まった。さらに、試験例Ｅ１～Ｅ４それぞれにおいては、試験例Ｄ１～Ｄ４のいずれよりも、モルタルの７日強度と２８日強度とが高まった。また、モルタルの３日強度についても、試験例Ｅ１及びＥ３においては試験例Ｄ１～Ｄ４のいずれよりも高まり、試験例Ｅ２及びＥ４においては試験例Ｄ３及びＤ４を大きく上回って試験例Ｄ１及びＤ２とほぼ同程度まで高まった。さらに、試験例Ｅ２及びＥ４においては、試験例Ｅ１及びＥ３に比較してモルタルの２８日強度が高まった。

【0069】

つまり、試験例Ｄ１～Ｄ４及び比較例２に基づけば、水硬性材料から高い強度（特に、３日強度、７日強度及び２８日強度の中で、建築物の設計上、最も重要であると考えられている２８日強度）を有するモルタルを製造するためには、水硬性材料における刺激剤としてリン酸三マグネシウムを使用することが特に好ましいといえる。

【0070】

また、表３に示す試験例Ｂ１９～Ｂ２１に基づけば、高強度のモルタルを製造するためには、水硬性材料における刺激剤としてリン酸一水素ナトリウムと塩化カルシウム又は亜硝酸カルシウムとを組み合わせて使用することが好ましいといえる。さらに、表７に示す試験例Ｅ１～Ｅ４に基づけば、リン酸一水素ナトリウムに代えてリン酸三マグネシウムを塩化カルシウム又は亜硝酸カルシウムと組み合わせても、高強度のモルタルを製造できることが分かる。

【0071】

なお、以下において、リン酸一水素ナトリウム又はリン酸三マグネシウムを「第１の刺激剤」と表記し、亜硝酸カルシウム又は塩化カルシウムを「第２の刺激剤」と表記する。

【0072】

以下において、第１の刺激剤と第２の刺激剤との合計含有率とモルタルの強度との関係、および、第１の刺激剤に対する第２の刺激剤の質量比とモルタルの強度との関係についての試験例Ｆ１～Ｆ７について説明する。なお、これらの試験例に関しても、上述した試験例Ａ１と異なる点についてのみ説明し、それ以外の点については説明を省略する。

【0073】

表８は、水硬性材料の組成とモルタルの圧縮強さとの関係を示している。表７に示す試験例Ｅ１～Ｅ４においては、第１の刺激剤と第２の刺激剤との合計含有率を５％で統一し、かつ、第１の刺激剤に対する第２の刺激剤の質量比を４で統一した。これに対し、表８に示す試験例Ｆ１～Ｆ７においては、第１の刺激剤と第２の刺激剤との合計含有率を３％、４％及び５％のいずれかとし、かつ、第１の刺激剤に対する第２の刺激剤の質量比を1.0、1.5及び4.0のいずれかとした。試験例Ｆ１～Ｆ７においては、第１の刺激剤としてリン酸一水素ナトリウム（リンNa）を使用し、第２の刺激剤として亜硝酸カルシウム（亜硝Ca）を使用した。

【0074】

【表8】

【0075】

表８に示す試験例Ｆ１～Ｆ３を比較すると、水硬性材料における刺激剤含有率が増加するにつれて３日強度、７日強度及び２８日強度がいずれも増加しており、試験例Ｆ２及びＦ３においては３日強度、７日強度及び２８日強度がいずれも試験例Ｆ１よりも高くなった。さらに、試験例Ｆ２と試験例Ｆ３との間では、３日強度の差が1.0N/mm²であり、７日強度の差が3.5N/mm²であり、２８日強度の差が6.6 N/mm²であり、このように全体的にモルタルの強度に大きな差は生じなかった。これに対し、試験例Ｆ１と試験例Ｆ２との間では、３日強度の差が3.8N/mm²であり、７日強度の差が9.3 N/mm²であり、２８日強度の差が14.2N/mm²であり、このように全体的にモルタルの強度に大きな差が生じた。

【0076】

このことから、水硬性材料における刺激剤含有率（すなわち、第１の刺激剤と第２の刺激剤との合計含有率）が試験例Ｆ２、Ｆ３と同程度（3.5質量％以上8質量％以下）であると好ましいといえる。また、高炉スラグ粉末（刺激剤により刺激される材料）に対する刺激剤の割合についても、試験例Ｆ２、Ｆ３と同程度（0.0400以上0.0700以下）であると好ましいといえる。この割合は、試験例Ｆ１においては0.0357であり、試験例Ｆ２においては0.0482であり、試験例Ｆ３においては0.0610である。

【0077】

表８に示す試験例Ｆ３～Ｆ５を比較すると、リン酸一水素ナトリウムに対する亜硝酸カルシウムの割合が増加するにつれて３日強度、７日強度及び２８日強度がいずれも増加しており、試験例Ｆ４及びＦ５においては３日強度、７日強度及び２８日強度が試験例Ｆ３よりも高くなっている。さらに、試験例Ｆ４と試験例Ｆ５との間では、２８日強度の差が0.2 N/mm²であって小さいのに対し、試験例Ｆ３と試験例Ｆ４との間では、２８日強度の差が2.8N/mm²であって大きくなっている。

【0078】

このことから、第１の刺激剤に対する第２の刺激剤の割合が試験例Ｆ４、Ｆ５と同程度（1.5以上7.0以下）であると好ましいといえる。

【0079】

表８に示す試験例Ｆ４とＦ６とを比較すると、試験例Ｆ６においては、試験例Ｆ４よりもポルトランドセメント含有率が低いが、２８日強度が高くなっている。また、表８に示す試験例Ｆ５とＦ７とを比較すると、試験例Ｆ７においては、試験例Ｆ５よりもポルトランドセメント含有率が低いが、２８日強度が高くなっている。

【0080】

このことから、水硬性材料におけるポルトランドセメントの含有率が試験例Ｆ６、Ｆ７と同程度（0.5質量％以上２質量％以下）であると特に好ましいといえる。

【0081】

ところで、試験例Ｄ１、Ｅ１、Ｅ２で使用した塩化カルシウムは無水物であり、試験例Ｄ２、Ｅ３、Ｅ４で使用した亜硝酸カルシウムは一水和物であり、試験例Ｄ３、Ｅ１、Ｅ３で使用したリン酸一水素ナトリウムは十二水和物であり、試験例Ｄ４、Ｅ２、Ｅ４で使用したリン酸三マグネシウムは八水和物である。なお、試験例Ｄ３、Ｅ１、Ｅ３で使用したリン酸一水素ナトリウムの試薬名は「リン酸水素二ナトリウム十二水和物」である。

【0082】

モルタルの製造工程（すなわち、ポルトランドセメントの混練工程）においては、刺激剤が無水物であっても水和して水和物になるため、刺激剤として無水物を使用するか水和物を使用するかによってはモルタルの強度は大きく変動しないと考えられる。つまり、上述したリン酸一水素ナトリウム、リン酸三マグネシウム、亜硝酸カルシウム及び塩化カルシウムとしては、無水物及び水和物のいずれを使用しても同程度のモルタル強度が発現すると考えられる。

【0083】

このように、上記一実施形態によれば、従来の水硬性材料に比較して少量のポルトランドセメントしか含まない水硬性材料を用いた場合であっても、高強度のモルタルを製造することができる。特に、上記の表８に示す試験例Ｆ６、Ｆ７に係る水硬性材料を用いると、この水硬性材料に含まれるポルトランドセメント含有率が１質量％であるにもかかわらず、モルタルの２８日強度を60N/mm²以上まで高めることができる。すなわち、多量のポルトランドセメントを用いなくても高強度のモルタルを製造することができる。よって、水硬性材料に用いるポルトランドセメントの量を減少させて、セメント焼成装置から排出される二酸化炭素の量を約９０％削減することができる。このため、水硬性材料の製造プロセス全体における二酸化炭素の発生量の削減に寄与することができる。

【0084】

さらに、上記一実施形態によれば、水硬性材料と水との混練物から２０℃での養生により得たモルタルに高い強度を発現させることができる。このため、モルタルの強度を発現させるためのオートクレーブ養生、蒸気養生又は加熱養生を行う必要がなくなる。つまり、この混練物の養生に要するエネルギーを節約することもできる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】