ジオポリマーセメント及びその使用
【課題】ジオポリマーセメント及びその使用。
【解決手段】本発明は、メタカオリン、又は、メタカオリン及び非熱活性型アルミノケイ酸塩の重量比の範囲が約４０：６０〜約８０：２０の混合物と、Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２（ＭはＮａ又はＫ）のモル比の範囲が０．５１〜０．６０のケイ酸アルカリ溶液とを含む新規な非腐食性ジオポリマーセメント、並びに、ジオポリマーセメント製造における架橋アクリル酸ポリマーを含む流動化剤（ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｚｅｒ）の使用に関する。
【解決手段】本発明は、メタカオリン、又は、メタカオリン及び非熱活性型アルミノケイ酸塩の重量比の範囲が約４０：６０〜約８０：２０の混合物と、Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２（ＭはＮａ又はＫ）のモル比の範囲が０．５１〜０．６０のケイ酸アルカリ溶液とを含む新規な非腐食性ジオポリマーセメント、並びに、ジオポリマーセメント製造における架橋アクリル酸ポリマーを含む流動化剤（ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｚｅｒ）の使用に関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は建築・建設分野に関する。より具体的には、本発明は新規な非腐食性ジオポリマーセメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
セメントには、ポルトランドセメント等の「水硬」型セメントと「ジオポリマー（ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ）」型セメントの２種類が存在する。後者は、ポリケイ酸アルカリ等のアルカリ活性剤の存在下、アルミノケイ酸塩酸化物を重合して形成される無機ジオポリマーに基づくものであるため、ジオポリマーセメントとして知られている。こうして得られたジオポリマーは、Ｓｉ−Ｏ−Ａｌ結合を含む３次元構造を有する。
【０００３】
１メトリックトンの水硬セメントを製造するのに約１メトリックトンのＣＯ２が生じるのに対し、１メトリックトンのジオポリマーセメントを製造するのには約０．１メトリックトンのＣＯ２しか生じないことを考えると、ジオポリマーセメントは、水硬セメントに比べ著しく環境に配慮して製造できる。更に、ジオポリマーセメントの製造にかかる総エネルギー消費量は、水硬セメントを製造するのに必要なエネルギー消費量のおよそ１／３でしかない。これは、水硬セメントの製造においては石灰石及び粘土を非常に高い温度（１４５０℃程度）で燃焼させる必要があるのに対し、ジオポリマーセメントの製造で通常使用されるカオリンは約７５０℃の温度で燃焼すればよいからである。
【０００４】
アルミノケイ酸塩混合物の重合を活性化するのにアルカリ性物質を使用する必要があるため、活性剤溶液のケイ酸アルカリのＭ２Ｏ：ＳｉＯ２（Ｍは、通常、ナトリウム（Ｍ＝Ｎａ）又はカリウム（Ｍ＝Ｋ）等のアルカリ金属）のモル比が０．６２５より大きくなることから、ＥＵ指令６７／５４８／ＥＥＣ（危険物質）及び９１／１５５／ＥＥＣ（危険な調剤）によれば、ジオポリマーセメントは一般的に「腐食性」物質に分類される。
【０００５】
一方、上記ＥＵ指令によれば、水硬セメントは一般的に「刺激性」物質、すなわち、Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．６２５未満の物質に分類される。
【０００６】
先行技術のジオポリマーセメントは、通常、Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比がＥＵ指令により設定された上限の０．６２５を超えるケイ酸アルカリ溶液で活性化されるものであり、従って腐食性であるとみなされる。例えば、特許文献１（Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が３．０）、特許文献２（Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が１より大きい）、及び、特許文献３（Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．８３〜１．２５）、さらには特許文献４（Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が３．２２）が挙げられる。特許文献５では、Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．５〜０．８のケイ酸塩溶液に言及しているが、この特許文献の各実施例では、Ｋ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．７８である同じケイ酸カリウム溶液を使用している。また、非特許文献１に、Ｎａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．６２５より大きい（従って腐食性である）ケイ酸アルカリ溶液を用いたジオポリマーセメントの調製が記載されていることも注目されよう。このように値が高くなるのは、本質的に、重合反応を十分に活性化させるのに必要な無水ＮａＯＨを添加したことによってＮａ２Ｏ量が増したためである。
【０００７】
従って、ジオポリマーセメント調製時の取り扱いにおける事故や吸入による事故を防ぐためには、当業者が、「刺激性」であって「腐食性」ではない物質を扱うことが好ましい。
【０００８】
また、建築工事で使用するのに好適な機械的特性（養生前のプラスティシティやワーカビリティ、及び、養生後の機械的強度）を示すコンクリート又はモルタルの提供を可能とする「非腐食性」ジオポリマーセメントが使用できることも望まれている。なお、建物を建築する際のモルタルの圧縮強さは２５ＭＰａ以上であることが好適である。
【０００９】
ジオポリマーセメントの製造に使用されるアルカリ活性剤溶液は水溶液である。結果として、これらの溶液を加えることによってジオポリマーセメント中に存在する水分量が増加し、得られたセメントの機械的強度が減少することとなる。また、使用する活性剤溶液量、すなわち混合物中の水分量を極端に減らし過ぎると、プラスティシティ、従ってワーカビリティが失われ、セメントの硬化時間が極めて短くなってしまい、通常は所望の用途に適合しない。よって、ジオポリマーセメントから得られるセメント、モルタル又はコンクリートの機械的特性に影響を与えることなく、該ジオポリマーセメント中で使用するケイ酸アルカリ溶液量を調整できることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第４，６４０，７１５号明細書
【特許文献２】米国特許第４，６４２，１３７号明細書
【特許文献３】米国特許第５，０８４，１０２号明細書
【特許文献４】国際公開第２００５／０１９１３０号
【特許文献５】国際公開第０３／０９９７３８号
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｐｕｙａｍ Ｓ．Ｓｉｎｇｈら，「Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａ」，第３９６巻，２００５年，３９２〜４０２頁
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、建築・建設分野で使用するのに好適な機械的特性を保持したセメント、モルタル又はコンクリートの製造において使用するための「非腐食性」ジオポリマーセメントに関する。
【００１３】
第一の態様によれば、本発明は、
ａ）メタカオリン、又は、メタカオリン及び非熱活性型（ｎｏｎ−ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ａｃｔｉｖａｔｅｄ）アルミノケイ酸塩の混合物と、
ｂ）Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２（ＭはＮａ又はＫ）のモル比が０．５１〜０．６０のケイ酸アルカリ溶液と
を含むジオポリマーセメントに関する。
【００１４】
ａ）成分は、メタカオリン及び非熱活性型アルミノケイ酸塩の重量比が約４０：６０〜約８０：２０、好ましくは約５０：５０〜約８０：２０の混合物であることが有利である。
【００１５】
「非熱活性型アルミノケイ酸塩」とは、カオリン、ベントナイト、フライアッシュ、高炉スラグ、及び、これらの混合物からなる群より選択されるアルミノケイ酸塩を意味すると理解される。上記アルミノケイ酸塩は、カオリン又はベントナイトであることが好ましい。
【００１６】
上記ケイ酸アルカリ溶液のＭ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比は、好ましくは０．５１〜０．５７、より好ましくは０．５３〜０．５７である。本発明の好ましい実施形態によれば、ケイ酸ナトリウム（Ｍ＝Ｎａ）溶液が使用される。
【００１７】
本発明に係るジオポリマーセメントは、当業者に周知の方法によりａ）及びｂ）成分を混合して得られる。
【００１８】
本発明におけるケイ酸アルカリ溶液は、Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．５１〜０．６０である限り、市販の溶液であってもよく、それをそのまま用いてもよい。
【００１９】
また、本発明におけるケイ酸アルカリ溶液は、Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２の初期モル比は上記範囲内の値ではないが、後から適量の水酸化アルカリＭＯＨ（無水物又は溶液）で調整することで、Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が本発明の範囲内の値のケイ酸アルカリ溶液にすることができる前駆体溶液（市販品であってもそうでなくてもよい）から得てもよい。
【００２０】
水酸化アルカリを添加するのは、ケイ酸アルカリ溶液とメタカオリン（又はメタカオリン及び非熱活性型アルミノケイ酸塩の混合物）とを混合する前でも後でもよい。
【００２１】
これらの条件下、本発明におけるＭ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比を計算するのに用いられるＭ２Ｏのモル量は、メタカオリン（又はメタカオリン及び非熱活性型アルミノケイ酸塩の混合物）と混合される前の前駆体ケイ酸塩溶液に由来する量、及び、添加された水酸化アルカリＭＯＨに由来する量である。
【００２２】
なお、「ケイ酸アルカリ溶液」とは、１以上の反応物質（例えば、水酸化アルカリＭＯＨ）を添加してＭ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比を任意に調整する前に又はその後で、メタカオリン又はメタカオリン及び非熱活性型アルミノケイ酸塩の混合物の重合反応を活性化することが可能な溶液を意味すると理解される。上記反応物質を添加するのは、ケイ酸アルカリ溶液と、メタカオリン又はメタカオリン及び非熱活性型アルミノケイ酸塩の混合物とを混合する前でも後でもよい。
【００２３】
ケイ酸アルカリ溶液の水分量は、通常、５５〜６３重量％である。
【００２４】
本発明において使用されるメタカオリン（又は焼成カオリン）は、一般組成がＡｌ２Ｏ３．２Ｓｉ２Ｏ２の脱水酸化アルミノケイ酸塩である。これは非晶質の人工ポゾランであり、その粒子は層状である。ｄ５０値が１〜２μｍ（ＢＥＴ比表面積：約１９ｍ２／ｇ）の反応性の極めて高い生成物が得られるように、カオリナイト粘土をフラッシュか焼炉で焼成し、粉砕することで得られる。まず、温度を９００〜１０００℃にできるチャンバに粒子を極短時間入れると、熱交換によって粒子が約７５０〜８５０℃の適度な温度となる。
【００２５】
本発明において使用されるカオリンは、ｄ５０値が１μｍ未満の粉砕及び乾燥したアルミノケイ酸塩類の粘土である。そのＢＥＴ比表面積は約２２ｍ２／ｇである。
【００２６】
本発明において使用されるベントナイトは、水に対する膨潤能が高いスメクタイト類の粘土である。その比表面積は、約８０〜１５０ｍ２／ｇである。
【００２７】
本発明において使用される高炉スラグは、鋳鉄製造の副産物であり、塊状の鉄鉱石及びコークスを高温処理することで生じる。粉砕スラグのブレーン比表面積は約４３５０〜４３８０ｃｍ２／ｇである。
【００２８】
本発明において使用されるフライアッシュは、クラスＦのフライアッシュであり、化石燃料発電所にて約１４００℃の温度で微粉炭を燃焼させることで生じる。上記フライアッシュは、ブレーン粉末度が約１９００〜２５００ｃｍ２／ｇであり、ガラス質の中実又は中空球体を含む灰色粉末として提供される。
【００２９】
本発明に係るジオポリマーセメントを用いて調製されるモルタル及びコンクリートの流動性を改善する目的で、当業者に周知の各種混和剤を添加することができる。
【００３０】
これまでのところ、「流動化剤（又は超可塑剤又は高性能減水剤）（ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｚｅｒ）」型混和剤についての研究では、そのような「流動化剤」を組み込んだジオポリマー結合剤から調製されたセメント、モルタル又はコンクリートの機械的特性を改善できていない（特に、Ｐｕｅｒｔａｓら，「Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｃｅｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ」，２００３，１５，Ｎｏ．１，Ｊａｎｕａｒｙ，２３−２８；Ｐａｌａｃｉｏｓ及びＰｕｅｒｔａｓ，「Ｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ」，２００５，３５，１３５８−１３６７；並びにＣｈｉｎｄａｐｒａｓｉｒｔら，「Ｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ」，２００７，２９，２２４−２２９を参照）。
【００３１】
予想されなかったことであり、極めて驚くべきことだが、架橋アクリル酸ポリマーを流動化剤として用いると、ジオポリマーセメントから得られるセメント、モルタル又はコンクリートの機械的強度を改善しつつ、使用するケイ酸アルカリ溶液量、従ってジオポリマーセメント中の水分量を減らすことができることが見出された。
【００３２】
よって、別の態様によれば、本発明は、
ａ）メタカオリン、又は、メタカオリン及び非熱活性型アルミノケイ酸塩の混合物と、
ｂ）Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２（ＭはＮａ又はＫ）のモル比が０．５１〜０．６０のケイ酸アルカリ溶液と、
ｃ）架橋アクリル酸ポリマーを含む流動化剤と
を含むジオポリマーセメントに関する。
【００３３】
ａ）及びｂ）成分は上述の通りである。上記流動化剤は、架橋アクリル酸ホモポリマーであることが有利であり、好ましくは、上記流動化剤は、ポリアルケニルエーテル又はジビニルグリコールで架橋されたアクリル酸ホモポリマーである。そのようなホモポリマー（カルボマーとしても知られている）は、ＣＡＲＢＯＰＯＬ（登録商標）という名称でＬｕｂｒｉｚｏｌ社から販売されている。特に好ましいホモポリマーは、ＣＡＲＢＯＰＯＬ（登録商標）Ｕｌｔｒｅｚ １０という名称で販売されているカルボマーである。
【００３４】
上記流動化剤は、水溶液の形態で使用することが有利であり、該水溶液は、ａ）カルボマーを蒸留水に溶解させる工程、及び、ｂ）得られた溶液を無機又は有機塩基で部分的に中和してゲルを得る工程を含む方法で得られたものであることが好ましい。流動化剤水溶液の固形分は約０．５〜約２重量％である。
【００３５】
架橋アクリル酸ポリマーを用いる利点の一つとして、少量を用いるだけで上述の特性が得られることが挙げられる。これにより、ジオポリマーセメントを製造するコストを低減できる。従って、使用する流動化剤量は、ジオポリマーセメント総量における固形分に対して約０．０１〜約０．０４重量％、好ましくは約０．０１６〜０．０２７重量％であることが有利である。
【００３６】
別の態様によれば、本発明は、ジオポリマーセメント、モルタル又はコンクリートの製造における、上述の架橋カルボン酸ポリマーを含む流動化剤の使用に関する。
【００３７】
本発明に係るジオポリマーセメントは、ＳｉＯ２：Ａｌ２Ｏ３のモル比が約４．０〜約５．２であり、Ｎａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が約０．２〜約０．３であり、Ｎａ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３のモル比が約０．８５〜約１．４であり、Ｈ２Ｏ：Ｎａ２Ｏのモル比が約１４．５〜約１６．５である。
【００３８】
本発明に係るジオポリマーセメントは、モルタル又はコンクリートの製造に使用でき、その場合、上記セメントは、砂、砂／砂利混合物、又は、砂利などの骨材と混合される。例えば、モルタル調合の場合、その組成は、メタカオリンを約１０重量％、非熱活性型アルミノケイ酸塩を約１０重量％、ケイ酸アルカリ溶液を最大で約２０重量％、本発明における流動化剤を約０．５重量％含み、残りは骨材からなることが好ましい。
【００３９】
言うまでもなく、本発明に係るジオポリマーセメントから製造されるモルタル及びコンクリートは、本発明の分野で通常使用される空気連行剤等の添加剤を１以上含んでいてもよい。
【００４０】
参考までに、ジオポリマーセメントから得られるモルタルは、ＮＦ ＥＮ１９６−１規格に従って測定される２８日圧縮強さが少なくとも２８ＭＰａ、通常約３０〜約５６ＭＰａ、好ましくは約３０〜約４５ＭＰａである。
【００４１】
モルタル及びコンクリートを製造する際は、本発明に係るジオポリマーセメントとともに補強繊維を用いることが有利である。この繊維は、金属、有機物由来のもの（合成物又は天然物（麻、亜麻、竹等））、又は、無機物由来のものであってもよく、好ましくは合成有機物由来のものである。
【００４２】
従って、本発明に係るジオポリマーセメントを含むモルタル又はコンクリートは、繊維、好ましくは有機繊維、より好ましくは、アラミドポリマー系合成有機繊維、好ましくは、ポリアクリロニトリル繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリアミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、及び、ポリプロピレン繊維から選択されるアラミドポリマー系合成有機繊維を更に含んでいてもよい。
【００４３】
単に参考までに、こうして得られたモルタル又はコンクリートは、通常、当業者から「繊維補強モルタル」又は「繊維補強コンクリート」と呼ばれるものである。
【００４４】
また、本発明に係るジオポリマーセメント、並びに、該セメントから調製されるコンクリート及びモルタルを構成する各成分、すなわち、例えば、メタカオリン、又は、メタカオリンと非熱活性型アルミノケイ酸塩の混合物、ケイ酸アルカリ溶液、架橋アクリル酸ポリマーを含む流動化剤、有機繊維、及び、当業者に公知の他の添加剤などを加える順番は重要ではないが、好ましくは、最初に、メタカオリン及び場合によっては非熱活性型アルミノケイ酸塩を混合してジオポリマーセメントを調製し、そこへ補強繊維、次いでケイ酸アルカリ溶液、更に骨材等の他の添加剤、最後に、空気連行剤とともに又は空気連行剤無しで流動化剤を加えてもよい。
【００４５】
言うまでもなく、本発明に係るジオポリマーセメントは、セメントペースト及びグラウトの製造においても、１以上の上記添加剤／混和剤と組み合わせて使用できる。
【００４６】
セメントペーストはセメントの水性懸濁液である。すなわち、本発明では、アルミノケイ酸塩とケイ酸アルカリ溶液の混合物である。なお実用上は、純粋なセメントペーストは、通常あまり使用されず、「グラウト」と言われる混合流体の形態で使用されるのが通常である。「グラウト」とは、１以上の混和剤（可塑剤、流動化剤、硬化促進剤、硬化遅延剤等）及び場合によってはある種の添加剤（粘土、フライアッシュ、石灰石充填剤、スラグ、シリカヒューム、極細粒砂（０／１ｍｍ）等）を組み合わせたセメントペーストである。
【００４７】
上記グラウトは、
・接合部及び割れ目の充填；
・プレストレストコンクリート用シースへの注入；
・岩塩層に掘られた穴に保存される危険廃棄物（化学廃棄物又は放射性廃棄物）の隔離；
・タイロッドの封止；
・半剛床の施工；
・油井建設への使用
等の多種多様な用途に使用できる。
【００４８】
本発明はまた、グラウト製造における、上述の架橋カルボン酸ポリマーを含む流動化剤の使用に関する。
【００４９】
本発明に関する利点としては、特に以下の利点が挙げられる。
・施行中のＥＵ指令において腐食性セメントではなく刺激性セメントに分類されるジオポリマーセメントを製造できること；
・使用するメタカオリン量を減らせるため、ジオポリマーセメントを製造するコストを削減できること；
・使用するケイ酸アルカリ溶液量を減らせるため、ジオポリマーセメントを製造するコストを削減できること；
・ジオポリマーセメントを周囲温度で硬化できること；
・特にジオポリマーセメントを製造するのに使用するエネルギー量を減らせるため、環境に対する有害な影響を減らすことができること；
・ジオポリマーセメントのプラスティシティ及びワーカビリティが良好となり、該セメントから得られるモルタル又はコンクリートの機械的特性を維持又は改善できること。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００５０】
以下の実施例によって本発明の理解が更に深まることとなろうが、これらは単なる例示に過ぎない。
【００５１】
実施例では、以下の成分を使用した。
・メタカオリン：ＡＧＳ Ｍｉｎｅｒａｕｘ社よりＡｒｇｉｃａｌ−Ｍ１２００Ｓという名称で販売されている製品（粉末）；
・フライアッシュ：Ｓｕｒｓｃｈｉｓｔｅ社よりＳｉｌｉｃｏｌｉｎｅ（登録商標）という名称で販売されている製品（粉末）；
・カオリン：ＡＧＳ Ｍｉｎｅｒａｕｘ社よりＡｒｇｉｒｅｃ Ｂ２４という名称で販売されている製品（粉末）；
・高炉スラグ：ＳＬＡＧ社よりスラグ砕石０／４という名称で販売されている製品（粉末）；
・ベントナイト：Ｓｏｃｉｅｔｅ Ｆｒａｎｃａｉｓｅ ｄｅｓ Ｂｅｎｔｏｎｉｔｅｓ ｅｔ Ｄｅｒｉｖｅｓ社よりＩｍｐｅｒｓｏｌという名称で販売されている製品（粉末）；
・アラミド繊維：Ｔｅｉｊｉｎ社よりテクノーラ（Ｔｅｃｈｎｏｒａ）（登録商標）Ｔ３２１という名称で販売されている合成有機繊維；
・ケイ酸ナトリウム水溶液：ＶＷＲ社よりケイ酸ナトリウム溶液ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ（ＳｉＯ２：Ｎａ２Ｏの重量比：３．２５）という名称で販売されている製品及び固体水酸化ナトリウム（９７％）より得られる以下の溶液：
・溶液１ Ｎａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．５４で、水を６２．４重量％含む溶液
・溶液２ Ｎａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．５３で、水を６２．８重量％含む溶液
・溶液３ Ｎａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．５７で、水を６２．１重量％含む溶液
・溶液４ Ｎａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．５１で、水を６３重量％含む溶液
・溶液５ Ｎａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．５３で、水を６２．７重量％含む溶液
・溶液６ Ｎａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．５７で、水を６２．１重量％含む溶液；
・流動化剤：Ｌｕｂｒｉｚｏｌ社よりＣＡＲＢＯＰＯＬ（登録商標）Ｕｌｔｒｅｚ １０という名称で販売されている製品
【００５２】
工程１：本発明に係るジオポリマーセメントを用いたモルタルの調合
表１に示した組成の調合物を調製した（量は全てｇで表す）。
【００５３】
【表１】
【００５４】
工程２：モルタルの調製及び機械的強度の測定
当業者に周知の方法でモルタルを調製した。すなわち、まず、工程１で調製したジオポリマーセメントの粉末成分を、対応するケイ酸ナトリウム水溶液と３０秒間ゆっくり混合した後、メタカオリン、又は、メタカオリンと非熱活性型アルミノケイ酸塩の混合物の１重量部あたり３重量部の割合でＣＥＮ標準砂（ＥＮ１９６−１）を３０秒間かけて投入し、高速で更に３０秒間混合して、混合機を９０秒間停止した。混合機を停止している間に流動化剤を任意で添加した後、混合物をこそぎ取り、その後、高速混合を再開し、６０秒間継続した。
【００５５】
なお、補強繊維を用いる場合、対応するケイ酸ナトリウム水溶液を添加する前に、それをセメントの粉末成分と混合しておくことが好ましい。
【００５６】
混合後、得られたモルタルを型枠に注ぎ、周囲温度で放置して養生させ、４×４×１６ｃｍの寸法の角柱を得た。２４時間後に供試体を型枠から取り出し、ＮＦ ＥＮ１９６−１規格に従って、７日目及び２８日目に曲げ試験及び単純圧縮試験を行った。
【００５７】
本発明に従って調合したモルタルについて得られた機械的強度の結果を下記表２にまとめた。
【００５８】
【表２】
【００５９】
上記実施例より、メタカオリンを、経済的に有利な非熱活性型アルミノケイ酸塩に部分的に置き換えたとしても、特に本発明における流動化剤の存在下では、２８日目の曲げ強度及び圧縮強さに影響しないか、又は影響してもごくわずかであることが明らかとなった。
【００６０】
なお、当業者ならば、メタカオリンの量を減らすと、ケイ酸アルカリ溶液の量を増やすか、又は「腐食性」アルカリ溶液を使用する必要があると予想するであろう。従って、メタカオリン含量を減らしたにもかかわらず「刺激性」材料に分類されるジオポリマーセメントに基づくモルタルが得られることは、非常に驚くべきことである。
【００６１】
また、極めて注目すべきことだが、「カルボマー」系流動化剤をジオポリマーセメントに加えることで、該セメントから得られるモルタルの機械的特性を保持又は改善しつつ、使用するケイ酸アルカリ溶液量を大幅に減らすことができる。事実、実施例８〜１２で得られた結果を比較すると、架橋アクリル酸ホモポリマーを用いることでケイ酸アルカリ溶液量を約４０％も減らすことができた。従って、モルタルを製造する際の総コスト及びその環境への影響が著しく抑えられる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は建築・建設分野に関する。より具体的には、本発明は新規な非腐食性ジオポリマーセメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
セメントには、ポルトランドセメント等の「水硬」型セメントと「ジオポリマー（ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ）」型セメントの２種類が存在する。後者は、ポリケイ酸アルカリ等のアルカリ活性剤の存在下、アルミノケイ酸塩酸化物を重合して形成される無機ジオポリマーに基づくものであるため、ジオポリマーセメントとして知られている。こうして得られたジオポリマーは、Ｓｉ−Ｏ−Ａｌ結合を含む３次元構造を有する。
【０００３】
１メトリックトンの水硬セメントを製造するのに約１メトリックトンのＣＯ２が生じるのに対し、１メトリックトンのジオポリマーセメントを製造するのには約０．１メトリックトンのＣＯ２しか生じないことを考えると、ジオポリマーセメントは、水硬セメントに比べ著しく環境に配慮して製造できる。更に、ジオポリマーセメントの製造にかかる総エネルギー消費量は、水硬セメントを製造するのに必要なエネルギー消費量のおよそ１／３でしかない。これは、水硬セメントの製造においては石灰石及び粘土を非常に高い温度（１４５０℃程度）で燃焼させる必要があるのに対し、ジオポリマーセメントの製造で通常使用されるカオリンは約７５０℃の温度で燃焼すればよいからである。
【０００４】
アルミノケイ酸塩混合物の重合を活性化するのにアルカリ性物質を使用する必要があるため、活性剤溶液のケイ酸アルカリのＭ２Ｏ：ＳｉＯ２（Ｍは、通常、ナトリウム（Ｍ＝Ｎａ）又はカリウム（Ｍ＝Ｋ）等のアルカリ金属）のモル比が０．６２５より大きくなることから、ＥＵ指令６７／５４８／ＥＥＣ（危険物質）及び９１／１５５／ＥＥＣ（危険な調剤）によれば、ジオポリマーセメントは一般的に「腐食性」物質に分類される。
【０００５】
一方、上記ＥＵ指令によれば、水硬セメントは一般的に「刺激性」物質、すなわち、Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．６２５未満の物質に分類される。
【０００６】
先行技術のジオポリマーセメントは、通常、Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比がＥＵ指令により設定された上限の０．６２５を超えるケイ酸アルカリ溶液で活性化されるものであり、従って腐食性であるとみなされる。例えば、特許文献１（Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が３．０）、特許文献２（Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が１より大きい）、及び、特許文献３（Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．８３〜１．２５）、さらには特許文献４（Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が３．２２）が挙げられる。特許文献５では、Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．５〜０．８のケイ酸塩溶液に言及しているが、この特許文献の各実施例では、Ｋ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．７８である同じケイ酸カリウム溶液を使用している。また、非特許文献１に、Ｎａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．６２５より大きい（従って腐食性である）ケイ酸アルカリ溶液を用いたジオポリマーセメントの調製が記載されていることも注目されよう。このように値が高くなるのは、本質的に、重合反応を十分に活性化させるのに必要な無水ＮａＯＨを添加したことによってＮａ２Ｏ量が増したためである。
【０００７】
従って、ジオポリマーセメント調製時の取り扱いにおける事故や吸入による事故を防ぐためには、当業者が、「刺激性」であって「腐食性」ではない物質を扱うことが好ましい。
【０００８】
また、建築工事で使用するのに好適な機械的特性（養生前のプラスティシティやワーカビリティ、及び、養生後の機械的強度）を示すコンクリート又はモルタルの提供を可能とする「非腐食性」ジオポリマーセメントが使用できることも望まれている。なお、建物を建築する際のモルタルの圧縮強さは２５ＭＰａ以上であることが好適である。
【０００９】
ジオポリマーセメントの製造に使用されるアルカリ活性剤溶液は水溶液である。結果として、これらの溶液を加えることによってジオポリマーセメント中に存在する水分量が増加し、得られたセメントの機械的強度が減少することとなる。また、使用する活性剤溶液量、すなわち混合物中の水分量を極端に減らし過ぎると、プラスティシティ、従ってワーカビリティが失われ、セメントの硬化時間が極めて短くなってしまい、通常は所望の用途に適合しない。よって、ジオポリマーセメントから得られるセメント、モルタル又はコンクリートの機械的特性に影響を与えることなく、該ジオポリマーセメント中で使用するケイ酸アルカリ溶液量を調整できることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第４，６４０，７１５号明細書
【特許文献２】米国特許第４，６４２，１３７号明細書
【特許文献３】米国特許第５，０８４，１０２号明細書
【特許文献４】国際公開第２００５／０１９１３０号
【特許文献５】国際公開第０３／０９９７３８号
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｐｕｙａｍ Ｓ．Ｓｉｎｇｈら，「Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａ」，第３９６巻，２００５年，３９２〜４０２頁
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、建築・建設分野で使用するのに好適な機械的特性を保持したセメント、モルタル又はコンクリートの製造において使用するための「非腐食性」ジオポリマーセメントに関する。
【００１３】
第一の態様によれば、本発明は、
ａ）メタカオリン、又は、メタカオリン及び非熱活性型（ｎｏｎ−ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ａｃｔｉｖａｔｅｄ）アルミノケイ酸塩の混合物と、
ｂ）Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２（ＭはＮａ又はＫ）のモル比が０．５１〜０．６０のケイ酸アルカリ溶液と
を含むジオポリマーセメントに関する。
【００１４】
ａ）成分は、メタカオリン及び非熱活性型アルミノケイ酸塩の重量比が約４０：６０〜約８０：２０、好ましくは約５０：５０〜約８０：２０の混合物であることが有利である。
【００１５】
「非熱活性型アルミノケイ酸塩」とは、カオリン、ベントナイト、フライアッシュ、高炉スラグ、及び、これらの混合物からなる群より選択されるアルミノケイ酸塩を意味すると理解される。上記アルミノケイ酸塩は、カオリン又はベントナイトであることが好ましい。
【００１６】
上記ケイ酸アルカリ溶液のＭ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比は、好ましくは０．５１〜０．５７、より好ましくは０．５３〜０．５７である。本発明の好ましい実施形態によれば、ケイ酸ナトリウム（Ｍ＝Ｎａ）溶液が使用される。
【００１７】
本発明に係るジオポリマーセメントは、当業者に周知の方法によりａ）及びｂ）成分を混合して得られる。
【００１８】
本発明におけるケイ酸アルカリ溶液は、Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．５１〜０．６０である限り、市販の溶液であってもよく、それをそのまま用いてもよい。
【００１９】
また、本発明におけるケイ酸アルカリ溶液は、Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２の初期モル比は上記範囲内の値ではないが、後から適量の水酸化アルカリＭＯＨ（無水物又は溶液）で調整することで、Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が本発明の範囲内の値のケイ酸アルカリ溶液にすることができる前駆体溶液（市販品であってもそうでなくてもよい）から得てもよい。
【００２０】
水酸化アルカリを添加するのは、ケイ酸アルカリ溶液とメタカオリン（又はメタカオリン及び非熱活性型アルミノケイ酸塩の混合物）とを混合する前でも後でもよい。
【００２１】
これらの条件下、本発明におけるＭ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比を計算するのに用いられるＭ２Ｏのモル量は、メタカオリン（又はメタカオリン及び非熱活性型アルミノケイ酸塩の混合物）と混合される前の前駆体ケイ酸塩溶液に由来する量、及び、添加された水酸化アルカリＭＯＨに由来する量である。
【００２２】
なお、「ケイ酸アルカリ溶液」とは、１以上の反応物質（例えば、水酸化アルカリＭＯＨ）を添加してＭ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比を任意に調整する前に又はその後で、メタカオリン又はメタカオリン及び非熱活性型アルミノケイ酸塩の混合物の重合反応を活性化することが可能な溶液を意味すると理解される。上記反応物質を添加するのは、ケイ酸アルカリ溶液と、メタカオリン又はメタカオリン及び非熱活性型アルミノケイ酸塩の混合物とを混合する前でも後でもよい。
【００２３】
ケイ酸アルカリ溶液の水分量は、通常、５５〜６３重量％である。
【００２４】
本発明において使用されるメタカオリン（又は焼成カオリン）は、一般組成がＡｌ２Ｏ３．２Ｓｉ２Ｏ２の脱水酸化アルミノケイ酸塩である。これは非晶質の人工ポゾランであり、その粒子は層状である。ｄ５０値が１〜２μｍ（ＢＥＴ比表面積：約１９ｍ２／ｇ）の反応性の極めて高い生成物が得られるように、カオリナイト粘土をフラッシュか焼炉で焼成し、粉砕することで得られる。まず、温度を９００〜１０００℃にできるチャンバに粒子を極短時間入れると、熱交換によって粒子が約７５０〜８５０℃の適度な温度となる。
【００２５】
本発明において使用されるカオリンは、ｄ５０値が１μｍ未満の粉砕及び乾燥したアルミノケイ酸塩類の粘土である。そのＢＥＴ比表面積は約２２ｍ２／ｇである。
【００２６】
本発明において使用されるベントナイトは、水に対する膨潤能が高いスメクタイト類の粘土である。その比表面積は、約８０〜１５０ｍ２／ｇである。
【００２７】
本発明において使用される高炉スラグは、鋳鉄製造の副産物であり、塊状の鉄鉱石及びコークスを高温処理することで生じる。粉砕スラグのブレーン比表面積は約４３５０〜４３８０ｃｍ２／ｇである。
【００２８】
本発明において使用されるフライアッシュは、クラスＦのフライアッシュであり、化石燃料発電所にて約１４００℃の温度で微粉炭を燃焼させることで生じる。上記フライアッシュは、ブレーン粉末度が約１９００〜２５００ｃｍ２／ｇであり、ガラス質の中実又は中空球体を含む灰色粉末として提供される。
【００２９】
本発明に係るジオポリマーセメントを用いて調製されるモルタル及びコンクリートの流動性を改善する目的で、当業者に周知の各種混和剤を添加することができる。
【００３０】
これまでのところ、「流動化剤（又は超可塑剤又は高性能減水剤）（ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｚｅｒ）」型混和剤についての研究では、そのような「流動化剤」を組み込んだジオポリマー結合剤から調製されたセメント、モルタル又はコンクリートの機械的特性を改善できていない（特に、Ｐｕｅｒｔａｓら，「Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｃｅｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ」，２００３，１５，Ｎｏ．１，Ｊａｎｕａｒｙ，２３−２８；Ｐａｌａｃｉｏｓ及びＰｕｅｒｔａｓ，「Ｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ」，２００５，３５，１３５８−１３６７；並びにＣｈｉｎｄａｐｒａｓｉｒｔら，「Ｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ」，２００７，２９，２２４−２２９を参照）。
【００３１】
予想されなかったことであり、極めて驚くべきことだが、架橋アクリル酸ポリマーを流動化剤として用いると、ジオポリマーセメントから得られるセメント、モルタル又はコンクリートの機械的強度を改善しつつ、使用するケイ酸アルカリ溶液量、従ってジオポリマーセメント中の水分量を減らすことができることが見出された。
【００３２】
よって、別の態様によれば、本発明は、
ａ）メタカオリン、又は、メタカオリン及び非熱活性型アルミノケイ酸塩の混合物と、
ｂ）Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２（ＭはＮａ又はＫ）のモル比が０．５１〜０．６０のケイ酸アルカリ溶液と、
ｃ）架橋アクリル酸ポリマーを含む流動化剤と
を含むジオポリマーセメントに関する。
【００３３】
ａ）及びｂ）成分は上述の通りである。上記流動化剤は、架橋アクリル酸ホモポリマーであることが有利であり、好ましくは、上記流動化剤は、ポリアルケニルエーテル又はジビニルグリコールで架橋されたアクリル酸ホモポリマーである。そのようなホモポリマー（カルボマーとしても知られている）は、ＣＡＲＢＯＰＯＬ（登録商標）という名称でＬｕｂｒｉｚｏｌ社から販売されている。特に好ましいホモポリマーは、ＣＡＲＢＯＰＯＬ（登録商標）Ｕｌｔｒｅｚ １０という名称で販売されているカルボマーである。
【００３４】
上記流動化剤は、水溶液の形態で使用することが有利であり、該水溶液は、ａ）カルボマーを蒸留水に溶解させる工程、及び、ｂ）得られた溶液を無機又は有機塩基で部分的に中和してゲルを得る工程を含む方法で得られたものであることが好ましい。流動化剤水溶液の固形分は約０．５〜約２重量％である。
【００３５】
架橋アクリル酸ポリマーを用いる利点の一つとして、少量を用いるだけで上述の特性が得られることが挙げられる。これにより、ジオポリマーセメントを製造するコストを低減できる。従って、使用する流動化剤量は、ジオポリマーセメント総量における固形分に対して約０．０１〜約０．０４重量％、好ましくは約０．０１６〜０．０２７重量％であることが有利である。
【００３６】
別の態様によれば、本発明は、ジオポリマーセメント、モルタル又はコンクリートの製造における、上述の架橋カルボン酸ポリマーを含む流動化剤の使用に関する。
【００３７】
本発明に係るジオポリマーセメントは、ＳｉＯ２：Ａｌ２Ｏ３のモル比が約４．０〜約５．２であり、Ｎａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が約０．２〜約０．３であり、Ｎａ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３のモル比が約０．８５〜約１．４であり、Ｈ２Ｏ：Ｎａ２Ｏのモル比が約１４．５〜約１６．５である。
【００３８】
本発明に係るジオポリマーセメントは、モルタル又はコンクリートの製造に使用でき、その場合、上記セメントは、砂、砂／砂利混合物、又は、砂利などの骨材と混合される。例えば、モルタル調合の場合、その組成は、メタカオリンを約１０重量％、非熱活性型アルミノケイ酸塩を約１０重量％、ケイ酸アルカリ溶液を最大で約２０重量％、本発明における流動化剤を約０．５重量％含み、残りは骨材からなることが好ましい。
【００３９】
言うまでもなく、本発明に係るジオポリマーセメントから製造されるモルタル及びコンクリートは、本発明の分野で通常使用される空気連行剤等の添加剤を１以上含んでいてもよい。
【００４０】
参考までに、ジオポリマーセメントから得られるモルタルは、ＮＦ ＥＮ１９６−１規格に従って測定される２８日圧縮強さが少なくとも２８ＭＰａ、通常約３０〜約５６ＭＰａ、好ましくは約３０〜約４５ＭＰａである。
【００４１】
モルタル及びコンクリートを製造する際は、本発明に係るジオポリマーセメントとともに補強繊維を用いることが有利である。この繊維は、金属、有機物由来のもの（合成物又は天然物（麻、亜麻、竹等））、又は、無機物由来のものであってもよく、好ましくは合成有機物由来のものである。
【００４２】
従って、本発明に係るジオポリマーセメントを含むモルタル又はコンクリートは、繊維、好ましくは有機繊維、より好ましくは、アラミドポリマー系合成有機繊維、好ましくは、ポリアクリロニトリル繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリアミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、及び、ポリプロピレン繊維から選択されるアラミドポリマー系合成有機繊維を更に含んでいてもよい。
【００４３】
単に参考までに、こうして得られたモルタル又はコンクリートは、通常、当業者から「繊維補強モルタル」又は「繊維補強コンクリート」と呼ばれるものである。
【００４４】
また、本発明に係るジオポリマーセメント、並びに、該セメントから調製されるコンクリート及びモルタルを構成する各成分、すなわち、例えば、メタカオリン、又は、メタカオリンと非熱活性型アルミノケイ酸塩の混合物、ケイ酸アルカリ溶液、架橋アクリル酸ポリマーを含む流動化剤、有機繊維、及び、当業者に公知の他の添加剤などを加える順番は重要ではないが、好ましくは、最初に、メタカオリン及び場合によっては非熱活性型アルミノケイ酸塩を混合してジオポリマーセメントを調製し、そこへ補強繊維、次いでケイ酸アルカリ溶液、更に骨材等の他の添加剤、最後に、空気連行剤とともに又は空気連行剤無しで流動化剤を加えてもよい。
【００４５】
言うまでもなく、本発明に係るジオポリマーセメントは、セメントペースト及びグラウトの製造においても、１以上の上記添加剤／混和剤と組み合わせて使用できる。
【００４６】
セメントペーストはセメントの水性懸濁液である。すなわち、本発明では、アルミノケイ酸塩とケイ酸アルカリ溶液の混合物である。なお実用上は、純粋なセメントペーストは、通常あまり使用されず、「グラウト」と言われる混合流体の形態で使用されるのが通常である。「グラウト」とは、１以上の混和剤（可塑剤、流動化剤、硬化促進剤、硬化遅延剤等）及び場合によってはある種の添加剤（粘土、フライアッシュ、石灰石充填剤、スラグ、シリカヒューム、極細粒砂（０／１ｍｍ）等）を組み合わせたセメントペーストである。
【００４７】
上記グラウトは、
・接合部及び割れ目の充填；
・プレストレストコンクリート用シースへの注入；
・岩塩層に掘られた穴に保存される危険廃棄物（化学廃棄物又は放射性廃棄物）の隔離；
・タイロッドの封止；
・半剛床の施工；
・油井建設への使用
等の多種多様な用途に使用できる。
【００４８】
本発明はまた、グラウト製造における、上述の架橋カルボン酸ポリマーを含む流動化剤の使用に関する。
【００４９】
本発明に関する利点としては、特に以下の利点が挙げられる。
・施行中のＥＵ指令において腐食性セメントではなく刺激性セメントに分類されるジオポリマーセメントを製造できること；
・使用するメタカオリン量を減らせるため、ジオポリマーセメントを製造するコストを削減できること；
・使用するケイ酸アルカリ溶液量を減らせるため、ジオポリマーセメントを製造するコストを削減できること；
・ジオポリマーセメントを周囲温度で硬化できること；
・特にジオポリマーセメントを製造するのに使用するエネルギー量を減らせるため、環境に対する有害な影響を減らすことができること；
・ジオポリマーセメントのプラスティシティ及びワーカビリティが良好となり、該セメントから得られるモルタル又はコンクリートの機械的特性を維持又は改善できること。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００５０】
以下の実施例によって本発明の理解が更に深まることとなろうが、これらは単なる例示に過ぎない。
【００５１】
実施例では、以下の成分を使用した。
・メタカオリン：ＡＧＳ Ｍｉｎｅｒａｕｘ社よりＡｒｇｉｃａｌ−Ｍ１２００Ｓという名称で販売されている製品（粉末）；
・フライアッシュ：Ｓｕｒｓｃｈｉｓｔｅ社よりＳｉｌｉｃｏｌｉｎｅ（登録商標）という名称で販売されている製品（粉末）；
・カオリン：ＡＧＳ Ｍｉｎｅｒａｕｘ社よりＡｒｇｉｒｅｃ Ｂ２４という名称で販売されている製品（粉末）；
・高炉スラグ：ＳＬＡＧ社よりスラグ砕石０／４という名称で販売されている製品（粉末）；
・ベントナイト：Ｓｏｃｉｅｔｅ Ｆｒａｎｃａｉｓｅ ｄｅｓ Ｂｅｎｔｏｎｉｔｅｓ ｅｔ Ｄｅｒｉｖｅｓ社よりＩｍｐｅｒｓｏｌという名称で販売されている製品（粉末）；
・アラミド繊維：Ｔｅｉｊｉｎ社よりテクノーラ（Ｔｅｃｈｎｏｒａ）（登録商標）Ｔ３２１という名称で販売されている合成有機繊維；
・ケイ酸ナトリウム水溶液：ＶＷＲ社よりケイ酸ナトリウム溶液ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ（ＳｉＯ２：Ｎａ２Ｏの重量比：３．２５）という名称で販売されている製品及び固体水酸化ナトリウム（９７％）より得られる以下の溶液：
・溶液１ Ｎａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．５４で、水を６２．４重量％含む溶液
・溶液２ Ｎａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．５３で、水を６２．８重量％含む溶液
・溶液３ Ｎａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．５７で、水を６２．１重量％含む溶液
・溶液４ Ｎａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．５１で、水を６３重量％含む溶液
・溶液５ Ｎａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．５３で、水を６２．７重量％含む溶液
・溶液６ Ｎａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が０．５７で、水を６２．１重量％含む溶液；
・流動化剤：Ｌｕｂｒｉｚｏｌ社よりＣＡＲＢＯＰＯＬ（登録商標）Ｕｌｔｒｅｚ １０という名称で販売されている製品
【００５２】
工程１：本発明に係るジオポリマーセメントを用いたモルタルの調合
表１に示した組成の調合物を調製した（量は全てｇで表す）。
【００５３】
【表１】
【００５４】
工程２：モルタルの調製及び機械的強度の測定
当業者に周知の方法でモルタルを調製した。すなわち、まず、工程１で調製したジオポリマーセメントの粉末成分を、対応するケイ酸ナトリウム水溶液と３０秒間ゆっくり混合した後、メタカオリン、又は、メタカオリンと非熱活性型アルミノケイ酸塩の混合物の１重量部あたり３重量部の割合でＣＥＮ標準砂（ＥＮ１９６−１）を３０秒間かけて投入し、高速で更に３０秒間混合して、混合機を９０秒間停止した。混合機を停止している間に流動化剤を任意で添加した後、混合物をこそぎ取り、その後、高速混合を再開し、６０秒間継続した。
【００５５】
なお、補強繊維を用いる場合、対応するケイ酸ナトリウム水溶液を添加する前に、それをセメントの粉末成分と混合しておくことが好ましい。
【００５６】
混合後、得られたモルタルを型枠に注ぎ、周囲温度で放置して養生させ、４×４×１６ｃｍの寸法の角柱を得た。２４時間後に供試体を型枠から取り出し、ＮＦ ＥＮ１９６−１規格に従って、７日目及び２８日目に曲げ試験及び単純圧縮試験を行った。
【００５７】
本発明に従って調合したモルタルについて得られた機械的強度の結果を下記表２にまとめた。
【００５８】
【表２】
【００５９】
上記実施例より、メタカオリンを、経済的に有利な非熱活性型アルミノケイ酸塩に部分的に置き換えたとしても、特に本発明における流動化剤の存在下では、２８日目の曲げ強度及び圧縮強さに影響しないか、又は影響してもごくわずかであることが明らかとなった。
【００６０】
なお、当業者ならば、メタカオリンの量を減らすと、ケイ酸アルカリ溶液の量を増やすか、又は「腐食性」アルカリ溶液を使用する必要があると予想するであろう。従って、メタカオリン含量を減らしたにもかかわらず「刺激性」材料に分類されるジオポリマーセメントに基づくモルタルが得られることは、非常に驚くべきことである。
【００６１】
また、極めて注目すべきことだが、「カルボマー」系流動化剤をジオポリマーセメントに加えることで、該セメントから得られるモルタルの機械的特性を保持又は改善しつつ、使用するケイ酸アルカリ溶液量を大幅に減らすことができる。事実、実施例８〜１２で得られた結果を比較すると、架橋アクリル酸ホモポリマーを用いることでケイ酸アルカリ溶液量を約４０％も減らすことができた。従って、モルタルを製造する際の総コスト及びその環境への影響が著しく抑えられる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）メタカオリンと、
ｂ）Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２（ＭはＮａ又はＫ）のモル比が０．５１〜０．６０、好ましくは０．５１〜０．５７、より好ましくは０．５３〜０．５７のケイ酸アルカリ溶液と
を含むジオポリマーセメント。
【請求項２】
非熱活性型アルミノケイ酸塩を更に含み、メタカオリン：アルミノケイ酸塩の重量比が約４０：６０〜約８０：２０、好ましくは約５０：５０〜約８０：２０である、
請求項１に記載のジオポリマーセメント。
【請求項３】
前記非熱活性型アルミノケイ酸塩は、カオリン、ベントナイト、フライアッシュ、高炉スラグ、及び、これらの混合物からなる群より選択される、
請求項２に記載のジオポリマーセメント。
【請求項４】
前記非熱活性型アルミノケイ酸塩は、カオリン又はベントナイトである、
請求項２又は３に記載のジオポリマーセメント。
【請求項５】
ｃ）架橋アクリル酸ポリマーを含む流動化剤を更に含む、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のジオポリマーセメント。
【請求項６】
前記流動化剤は、架橋アクリル酸ホモポリマー、好ましくは、ポリアルケニルエーテル又はジビニルグリコールで架橋されたアクリル酸ホモポリマーである、
請求項５に記載のジオポリマーセメント。
【請求項７】
前記流動化剤は、ＣＡＲＢＯＰＯＬ（登録商標）という名称で販売されている、
請求項５又は６に記載のジオポリマーセメント。
【請求項８】
前記流動化剤は、固形分が約０．５〜約２重量％の水溶液の形態で提供される、
請求項５〜７のいずれか一項に記載のジオポリマーセメント。
【請求項９】
前記流動化剤は、前記セメントにおける固形分に対して約０．０１〜約０．０４％の割合で存在する、
請求項８に記載のジオポリマーセメント。
【請求項１０】
ＭはＮａである、
請求項１〜９のいずれか一項に記載のジオポリマーセメント。
【請求項１１】
・ＳｉＯ２：Ａｌ２Ｏ３のモル比が約４．０〜約５．２であり、
・Ｎａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が約０．２〜約０．３であり、
・Ｎａ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３のモル比が約０．８５〜約１．４であり、
・Ｈ２Ｏ：Ｎａ２Ｏのモル比が約１４．５〜約１６．５である、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載のジオポリマーセメント。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のジオポリマーセメントと、骨材とを含むモルタル又はコンクリート。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のジオポリマーセメントを含むグラウト又はセメントペースト。
【請求項１４】
繊維、好ましくは有機繊維、より好ましくは、ポリアクリロニトリル繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリアミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、及び、ポリプロピレン繊維からなる群より選択されるアラミドポリマー系合成有機繊維を更に含む、
請求項１２に記載のモルタル又はコンクリート。
【請求項１５】
ジオポリマーセメント、モルタル、コンクリート又はグラウトの製造における、架橋カルボン酸ポリマーの使用。
【請求項１６】
前記流動化剤は、架橋アクリル酸ホモポリマー、好ましくは、ポリアルケニルエーテル又はジビニルグリコールで架橋されたアクリル酸ホモポリマーである、
請求項１５に記載の使用。
【請求項１７】
前記流動化剤は、ＣＡＲＢＯＰＯＬ（登録商標）という名称で販売されている、
請求項１５又は１６に記載の使用。
【請求項１】
ａ）メタカオリンと、
ｂ）Ｍ２Ｏ：ＳｉＯ２（ＭはＮａ又はＫ）のモル比が０．５１〜０．６０、好ましくは０．５１〜０．５７、より好ましくは０．５３〜０．５７のケイ酸アルカリ溶液と
を含むジオポリマーセメント。
【請求項２】
非熱活性型アルミノケイ酸塩を更に含み、メタカオリン：アルミノケイ酸塩の重量比が約４０：６０〜約８０：２０、好ましくは約５０：５０〜約８０：２０である、
請求項１に記載のジオポリマーセメント。
【請求項３】
前記非熱活性型アルミノケイ酸塩は、カオリン、ベントナイト、フライアッシュ、高炉スラグ、及び、これらの混合物からなる群より選択される、
請求項２に記載のジオポリマーセメント。
【請求項４】
前記非熱活性型アルミノケイ酸塩は、カオリン又はベントナイトである、
請求項２又は３に記載のジオポリマーセメント。
【請求項５】
ｃ）架橋アクリル酸ポリマーを含む流動化剤を更に含む、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のジオポリマーセメント。
【請求項６】
前記流動化剤は、架橋アクリル酸ホモポリマー、好ましくは、ポリアルケニルエーテル又はジビニルグリコールで架橋されたアクリル酸ホモポリマーである、
請求項５に記載のジオポリマーセメント。
【請求項７】
前記流動化剤は、ＣＡＲＢＯＰＯＬ（登録商標）という名称で販売されている、
請求項５又は６に記載のジオポリマーセメント。
【請求項８】
前記流動化剤は、固形分が約０．５〜約２重量％の水溶液の形態で提供される、
請求項５〜７のいずれか一項に記載のジオポリマーセメント。
【請求項９】
前記流動化剤は、前記セメントにおける固形分に対して約０．０１〜約０．０４％の割合で存在する、
請求項８に記載のジオポリマーセメント。
【請求項１０】
ＭはＮａである、
請求項１〜９のいずれか一項に記載のジオポリマーセメント。
【請求項１１】
・ＳｉＯ２：Ａｌ２Ｏ３のモル比が約４．０〜約５．２であり、
・Ｎａ２Ｏ：ＳｉＯ２のモル比が約０．２〜約０．３であり、
・Ｎａ２Ｏ：Ａｌ２Ｏ３のモル比が約０．８５〜約１．４であり、
・Ｈ２Ｏ：Ｎａ２Ｏのモル比が約１４．５〜約１６．５である、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載のジオポリマーセメント。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のジオポリマーセメントと、骨材とを含むモルタル又はコンクリート。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のジオポリマーセメントを含むグラウト又はセメントペースト。
【請求項１４】
繊維、好ましくは有機繊維、より好ましくは、ポリアクリロニトリル繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリアミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、及び、ポリプロピレン繊維からなる群より選択されるアラミドポリマー系合成有機繊維を更に含む、
請求項１２に記載のモルタル又はコンクリート。
【請求項１５】
ジオポリマーセメント、モルタル、コンクリート又はグラウトの製造における、架橋カルボン酸ポリマーの使用。
【請求項１６】
前記流動化剤は、架橋アクリル酸ホモポリマー、好ましくは、ポリアルケニルエーテル又はジビニルグリコールで架橋されたアクリル酸ホモポリマーである、
請求項１５に記載の使用。
【請求項１７】
前記流動化剤は、ＣＡＲＢＯＰＯＬ（登録商標）という名称で販売されている、
請求項１５又は１６に記載の使用。
【公表番号】特表２０１３−５０２３６７（Ｐ２０１３−５０２３６７Ａ）
【公表日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２５１９４（Ｐ２０１２−５２５１９４）
【出願日】平成２２年８月２０日（２０１０．８．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＦＲ２０１０／０５１７４６
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２０９７５
【国際公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（５１２０４２３２９）アンスティテュ フランセ デ シアンス エ テクノロジ デ トランスポール， ドゥ ラメナジュマン エ デ レゾ (2)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２０日（２０１０．８．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＦＲ２０１０／０５１７４６
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２０９７５
【国際公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（５１２０４２３２９）アンスティテュ フランセ デ シアンス エ テクノロジ デ トランスポール， ドゥ ラメナジュマン エ デ レゾ (2)
【Ｆターム（参考）】
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