白色ポルトランドセメント

白色ポルトランドセメントまたは白色普通ポルトランドセメント(WOPC) は、白色度が高いことを除き、すべての点で普通の灰色ポルトランドセメントに類似しています。この色を得るには、製造方法に大幅な変更が必要です。クリンカーの製造に使用する原材料 (主に石灰石と粘土)に含まれる有色不純物の含有量を大幅に減らす必要があります ( Cr ₂ O ₃、Mn ₂ O ₃、Fe ₂ O ₃の含有量が低いこと)。しかし、何よりも、セメント窯での最終焼結段階では、鉄酸化物(ポルトランドセメントのフラックスとして機能)が減った混合物の融点が高くなるため、より高い温度 (普通ポルトランドセメントの 1450 °C ではなく 1600 ～ 1700 °C) が必要です。このため、このプロセスにはより多くのエネルギーが必要となり、白色セメントは灰色製品よりもいくらか高価になります。

高級建築プロジェクトや装飾工事用の白いコンクリートを作るために、白いポルトランドセメントは白い骨材と組み合わせて使用​​されます。白いコンクリートは、構造目的に白いセメントを使用するのは経済的ではないため、通常はプレキャストのクラッディングパネルの形をとります。白いポルトランドセメントは、明るい色のコンクリートやモルタルを作るために、無機顔料と組み合わせて使用​​されることもあります。普通のセメントは、顔料と一緒に使用すると、魅力的ではあるものの、いくぶん地味な色になります。白いセメントを使用すると、明るい赤、黄色、緑を簡単に作ることができます。費用はかかりますが、青いコンクリートも作ることができます。顔料はコンクリートミキサーで追加できます。あるいは、再現性のある色を保証するために、一部のメーカーは、白セメントをベースとして、ブレンド済みの着色セメントを供給しています。「白」にするには、粉末材料の反射率 ( 「L 値」 ) が 85% を超えている必要があります。WOPC と追加顔料の使用で特に成功したのは、モノクーシュ レンダリングです。

一部の国では、粉砕すると反射率が 70 を超えるオフホワイトのクリンカーが、通常のグレーのクリンカーよりわずかに高いコストで生産されています。これを粉砕した高炉スラグ (用途と初期強度に応じて最大 60%) と混合すると、反射率が 80 を超えるセメントを生産できます。混合セメントは、汎用ポートランド セメント (グレー) よりも生産コストが低くなりますが、通常は白ポートランド セメントと競合して販売されるため、マージンが付きます。

普通ポルトランドセメントの特徴的な緑がかった灰色から茶色は、その化学組成に含まれるいくつかの遷移元素に由来しています。これらは、着色効果の大きい順に、クロム、マンガン、鉄、銅、バナジウム、ニッケル、チタンです。白セメントでは、これらの量は可能な限り最小限に抑えられています。 クリンカー中のCr ₂ O ₃は 0.003% 未満、Mn ₂ O ₃は 0.03% 未満、Fe ₂ O ₃は 0.35% 未満に抑えられています。他の元素は通常、大きな問題にはなりません。ポルトランドセメントは通常、安価な採石された原材料から作られ、これらには通常、かなりの量の Cr、Mn、Fe が含まれています。たとえば、セメント製造に使用される石灰石には通常 0.3～1% の Fe ₂ O ₃が含まれていますが、白セメント製造用の石灰石では 0.1% 未満のレベルが求められます。灰色セメント原料ミックスに使用される一般的な粘土には、5～15%の Fe ₂ O ₃が含まれています。0.5%未満のレベルが望ましく、従来の粘土は通常カオリンで置き換えられます。カオリンはSiO ₂がかなり少ないため、ミックスには通常大量の砂も含まれます。鉄とマンガンは自然界では通常共存するため、鉄分の少ない材料を選択するとマンガン含有量も低くなりますが、クロムは他の発生源、特に原料ミックスの製造中にクロム鋼の粉砕機器が摩耗することによって発生する可能性があります。原料ミルを参照してください。この摩耗は、ミックスの砂含有量が多いために非常に研磨性が高くなるため悪化します。さらに、混合可能な原料ミックスを作るには、砂を45 μm未満の粒子径に粉砕する必要があります。これは多くの場合、クロム汚染を制限するためにセラミック粉砕媒体を使用して砂を別々に粉砕することによって達成されます。

オフホワイトのクリンカーでは、クリンカーの計算された Fe ₂ O _{3レベルは高くなります (0.6～0.8%)。石炭を使用できます (灰に Fe 2} O ₃またはその他の微量元素がほとんど含まれていない場合)。石炭の灰は粉砕された原材料よりも細かく、高温に達して炎で溶融するため、反応に役立ちます。カオリンは、石炭鉱床に関連して見つかることがあります。石炭洗浄廃棄物、オイルシェール、使用済みオイルシェール灰を使用できる場合があります。オフホワイトのクリンカーの計算された C ₃ A (アルミン酸三カルシウム) は 7～9% です。粉砕された粒状高炉スラグと混合すると、耐硫酸塩性と低熱性の要件を満たすことができます。

一般に、原料を化学的に混合するために使用されるロータリーキルンは、グレークリンカーの製造に必要なピーク温度 (1450°C) よりも高いピーク温度 (1600°C) で稼働します。これにより、燃料消費量が多くなり (通常 20～50% 多く)、同じサイズのキルンではキルン出力が低下します (通常 20～50% 少なく)。その理由は、混合物の鉄含有量が低いため、焼結中に生成される溶融液の量が比較的少ないためです。キルンでの最終反応であるビーライトからエーライトへの変換には、溶媒として溶融液が必要であり、溶融液の量が少ないと反応が遅くなります。これは、フッ化カルシウムまたは廃棄氷晶石の形でカルシウムとフッ化物の組み合わせを原料ミックスに追加することで部分的に補うことができます。この組み合わせにより、融解温度が下がります。クリンカーの Fe ₂ O ₃含有量が 0.2% を超える場合(ほとんどの場合に当てはまります)、「漂白」および「急冷」という独自のプロセスも使用されます。「漂白」では、キルンの出口に近いクリンカーの床に 2 番目の炎 (キルンの加熱に使用する炎とは別) を向けて、Fe(III) を Fe(II) に還元します。この還元は、クリンカーの品質に悪影響を与える可能性があるため、灰色セメントの製造では厳重に回避されます。しかし、鉄含有量が低い白色クリンカーの製造では、これは問題になりません。その後、鉄の再酸化を防ぐために、「急冷」が行われます。これは、キルンから出るクリンカーの温度を、数秒で 1200°C から 600°C 未満に急速に下げることです。これは通常、クリンカーを水中に落とし、スクリューで素早く取り除くか、水スプレーのカーテンに通すことを伴います。通常のクリンカー製造業者のようにクリンカーの 顕熱がリサイクルされないため、プロセスのエネルギー効率が比較的低くなります。

窯内の温度は必ずしもグレークリンカーの製造よりも高いわけではありませんが、特にガス燃焼窯（炎の温度が高い）では反射率により高く見えます。オフホワイトクリンカーには石炭燃焼を使用でき、コストと出力の点で多くの利点があります。石炭を細かく粉砕し、非常に短い明るい炎（高速で低い一次空気）を出すバーナーを用意して、過剰酸素をゼロに近く、おそらく 0.1% CO に保つことが重要です。石炭炎の燃焼が速く制御されている場合、2 番目の炎は必要ありません。オフホワイトクリンカーは Fe(II) により明るい緑がかった色をしています。ロータリー窯では、熱伝達に必要な表面積に基づいて出力に制限があります。燃料投入量（例えば、予備焼成の欠如）、石炭および原料の粉砕、排気ファンの容量、原料混合物の化学制御、バーナーの品質、窯の制御などの補助装置の制限により、古い窯プロセスでは表面積の限界に達することはほとんどありません。オフホワイトクリンカー生産を適切に運用すれば、窯の出力はグレークリンカー生産よりもわずか数パーセント低くなります。

次に、クリンカーを粉砕してセメントにします (おそらく乾燥段階の後)。ここで、高純度の石膏または無水石膏の形で硫酸カルシウムを添加して硬化を制御します。一部の仕様 ( ASTM以外) では、反射率を向上させるために少量の二酸化チタンを添加する場合があります。すべての段階で、着色物質による汚染を避けるよう細心の注意が必要です。

ホワイト ポルトランド セメントは、灰色セメントと物理的に異なるのは色だけです。その硬化挙動と強度発現は、灰色セメントで期待されるものと基本的に同じであり、ASTM C 150 やEN 197 などの標準仕様を満たしています。実際には、プレキャスト コンクリート製品にはホワイト セメントが多数使用されているため、ASTM C 150 タイプ III などの早期強度仕様で製造されるのが一般的です。これにより、コンクリート製造業者の生産速度が向上します。潜在強度が高いと、顔料添加による強度低下の影響を打ち消すこともできます。通常の仕様に加えて、製造業者は製品の白さを保証します。通常、L*a*b L 値や三刺激値などの反射率測定で保証します。後者の場合、色の異なるホワイト セメントは緑がかった傾向があるため、Tri-Y (緑) 値が使用されます。色は「漂白」および「急冷」操作に大きく依存するため、鉄含有量が低いと指定するだけでは良好な白さは保証されません。

• エネルギー的に改質されたセメント
• 焼入れ
• 焼結

• http://www.cementkilns.co.uk/ck_white.html
• 白セメント窯
• Moresová K.、Kvára FE (2001) 白セメント - 特性、製造、展望
• セメントの白い芸術