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セメントクリンカーは、ポルトランドセメントの製造過程で中間製品として生成される固体材料です。クリンカーは、通常直径3ミリメートル（0.12インチ）から25ミリメートル（0.98インチ）の塊または結節として発生します。セメント窯の段階で石灰石と粘土などのアルミノケイ酸塩材料を焼結（液化点まで溶融することなく融合）することによって生成されます。[1] [2]
構成と準備
ポートランドクリンカーは基本的に4つの鉱物で構成されています。2つのケイ酸カルシウム、エーライト（Ca 3 SiO 5）とビーライト（Ca 2 SiO 4 ）、三カルシウムアルミネート（Ca 3 Al 2 O 6 ）、カルシウムアルミノフェライト（Ca 2 ( Al,Fe) 2 O 5 ）です。これらの主な鉱物相は、粘土と石灰岩を高温で加熱することで生成されます。[3]
クリンカー製造の主原料は通常、アルミノケイ酸塩の原料として粘土を含む第 2 の原料を混ぜた石灰石です。粘土または二酸化ケイ素(SiO 2 ) を含む不純な石灰石も使用できます。これらの石灰石の炭酸カルシウム(CaCO 3 ) 含有量は、重量で 80% 程度まで低下することがあります。クリンカー製造時に行われる焼成プロセスで、石灰石は、最終クリンカー製品に組み込まれる石灰 (酸化カルシウム) と、通常は大気中に放出される二酸化炭素に分解されます。
第 2 の原料 (石灰岩以外の原料ミックスの材料) は、石灰岩の純度によって異なります。使用される第 2 の原料には、粘土、頁岩、砂、鉄鉱石、ボーキサイト、フライアッシュ、スラグなどがあります。
ポルトランドセメントクリンカーは、原料の均質な混合物を回転窯で高温で加熱して作られます。化学反応の生成物は、焼結温度である約 1,450 °C (2,640 °F) で凝集します。酸化アルミニウムと酸化鉄は、焼結温度を下げるためのフラックスとしてのみ存在し、セメントの強度にはほとんど寄与しません。
低熱（LH）タイプや耐硫酸塩（SR）タイプなどの特殊なセメントの場合、生成される三アルミン酸カルシウムの量を制限する必要があります。
クリンカーとその水和反応は、熱量測定、強度発現、X線回折、走査型電子顕微鏡、原子間力顕微鏡など多くの技術によって詳細に特徴づけられ研究されている。[4]
用途
ポートランドセメントクリンカー（欧州規格ではkと略記）は、細かい粉末に粉砕され、多くのセメント製品の結合剤として使用されています。ポートランドクリンカーの中で最も反応性の高い鉱物相（発熱水和反応）である三カルシウムアルミネート（Ca 3 Al 2 O 6 ）のフラッシュ硬化を避けるために、少量の石膏（5重量％未満）を添加する必要があります。また、他の活性成分やセメント添加物と組み合わせて、欧州EN 197-1規格に準拠した他のタイプのセメントを製造することもできます。[5]
- CEM I: 純粋ポートランドクリンカー（普通ポートランドセメント、OPC）
- CEM II: 石灰石フィラーまたは高炉スラグ(BFS)を限定的に添加した複合セメント
- CEM III: BFS-OPC高炉セメント
- CEM IV:ポゾランセメント
- CEM V: 複合セメント（BFS、フライアッシュ、シリカフュームを大量に添加）
クリンカーは石灰岩を模倣した人工岩石の材料の 1 つで、発明者の James Pulham (1820-1898) にちなんでPulhamiteと呼ばれています。その他の材料はポートランド セメントと砂です。Pulhamite は非常に本物らしく、19 世紀には自然に見えるロック ガーデンを作るのに人気がありました。
クリンカーは、乾燥した状態で保管すれば、品質をほとんど損なうことなく数か月間保存できます。このため、また通常の鉱物処理設備で簡単に処理できるため、クリンカーは国際的に大量に取引されています。クリンカーを購入するセメント製造業者は、通常、セメント工場で自社のクリンカーに加えてクリンカーを粉砕します。また、セメント製造の原材料が入手できない地域の粉砕工場にクリンカーを出荷します。
クリンカー粉砕補助剤
石膏は主にセメントのフラッシュ硬化を防ぐ添加剤としてクリンカーに添加されますが、ボールやミル壁の表面での粉末の凝集やコーティングを防ぐことでクリンカーの粉砕を促進するのにも非常に効果的です。[引用が必要]
有機化合物は、粉末の凝集を防ぐために粉砕助剤として添加されることもよくあります。トリエタノールアミン（TEA）は0.1重量％で一般的に使用され、非常に効果的であることが証明されています。エチレングリコール、オレイン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸などの他の添加剤が使用されることもあります。[6]
クリンカー鉱物の水和
水を加えると、クリンカー鉱物が反応してさまざまな種類の水和物を形成し、水和セメントペーストがコンクリートになるにつれて「固まる」（硬化する） 。ケイ酸カルシウム水和物（CSH）（エーライトおよびビーライト鉱物の水和物）は、コンクリートの主な「接着剤」成分です。最初の硬化後、コンクリートは硬化を続け、機械的強度を増していきます。
最初の 28 日間は硬化にとって最も重要です。コンクリートは乾燥しませんが、固まって硬化します。セメントは水和結合剤で、その水和には水が必要です。セメントは水中で完全に固まります。水は硬化に不可欠であり、ひび割れの発生を防ぐために若いうちは水分の損失を避ける必要があります。若いコンクリートは乾燥(未反応水の蒸発) から保護されます。乾燥を防ぐ従来の方法は、製品を湿った黄麻布で覆うか、プラスチック シートを使用することです。
高速道路などの大規模なプロジェクトでは、表面に硬化剤の溶液を吹き付けて、水を通さないコーティングを施します。[7]
地球温暖化への貢献
2018年時点で[アップデート]、セメント生産は世界の二酸化炭素排出量の約8％を占めており、地球温暖化に大きく貢献しています。これらの排出量のほとんどはクリンカー製造プロセスで発生しました。[8]
参照
参考文献
- ^ Berger, Ernest Elmer (1929)。ポートランドセメントクリンカー用硫酸カルシウム遅延剤。米国：米国政府印刷局。p. 29。
- ^ 「セメントの燃焼および粉砕装置」。建築用石材の採石と切断に特化したイラスト入り雑誌『Stone』。ニューヨーク州ニューヨーク市、アメリカ合衆国：Frank W. Hoyt：55～56 ページ。1898 年 12 月。
- ^ ジークベルト・シュプルング「セメント」、ウルマン工業化学百科事典、2012 Wiley-VCH、ワインハイム。土井：10.1002/14356007.a05_489.pub2
- ^ Ferrari, L. (2012). 「原子間力顕微鏡で調べたクリンカー表面の反応」.建設・建築資材. 35 : 92–96. doi :10.1016/j.conbuildmat.2012.02.089.
- ^ 欧州セメント規格 EN 197-1 セメント - パート 1:「一般的なセメントの組成、仕様、適合基準」では、27 種類の一般的なセメント製品とその成分が定義されています。
- ^ Sohoni, S.; R. Sridhar; G. Mandal (1991). 「石灰石、石英、ポートランドセメントクリンカーの微粉砕に対する粉砕助剤の効果」. Powder Technology . 67 (3): 277–286. doi :10.1016/0032-5910(91)80109-V.
- ^ Whiting, Nancy M.; Snyder, Mark B. (2003). 「ポートランドセメントコンクリート硬化剤の有効性」.交通研究記録: 交通研究委員会ジャーナル. 1834 : 59–68. doi :10.3141/1834-08. S2CID 110538072.
- ^ ロジャース、ルーシー (2018-12-17). 「あなたが知らないかもしれない大規模なCO2排出源」BBCニュース. BBC . 2018-12-17閲覧。