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1 セメント 日本におけるセメントの使用は幕末の頃にフランスからポルトランドセメントを輸入したのが最初とされている 1875 年に日本で最初の官営セメント会社にてポルトランドセメントの製造に成功し 1881 年には山口県小野田市に最初の民営セメント会社が誕生した 当時の生産量は年間 2760 トン程度であった 2009 年 4 月現在 セメント生産企業数は 18 社 32 工場があり クリンカ ( セメントの中間製品 ) 生産能力は年間 6 千 344 万トンに達しており 中国 インド アメリカに次いで世界で第 4 位の生産量である [1][2] 1. セメントメントの分類セメント (Cement) とは 一般的には水や溶剤などにより水和反応や重合等により硬化する粉体を指し 広義にはアスファルト 膠 樹脂 石膏 石灰等接着剤全般の事であるが 狭義にはコンクリートを作るための材料の一つで灰色の粉末を指す 現在セメントは そのほとんどがコンクリートとして使用されているが クリンカの主原料は石灰石 粘土 珪石及び鉄原料である これら原料を乾燥し 焼成後に目的の化学成分のクリンカが得られるよう混合 粉砕し 石膏を添加してポルトランドセメントが得られる セメントには ポルトランドセメント ポルトランドセメントを主体として混合材料を混ぜ合わせた 混合セメント その他の 特殊セメント の3つに大別される 1.1. ポルトランドセメント (Portland Cement) 一般に セメント とは ポルトランドセメント を意味し この名称はセメントが硬化した後の風合いがイギリスのポートランド島で採れるポルトランド石 (Portland limestone) に似ている事から名称が付いた ポルトランドセメントの主原料は石灰石 粘土 珪石及び鉄原料であり これら原料の混合物を高温で焼成する事により中間製品であるクリンカができる このクリンカに含まれる鉱物組成がセメントの性質を左右するため セメント製造工程ではクリンカ鉱物組成の管理が行われている クリンカを構成する鉱物は 1 ケイ酸三カルシウム ( エーライト :3CaO SiO 2 ) 2 ケイ酸二カルシウム ( ビーライト :2CaO SiO 2 ) 3 カルシウムアルミネート ( アルミネート :3CaO Al 2 O 3 ) 4 カルシウムアルミノフェライト ( フェライト :4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3 ) が主要成分である エーライト ビーライト アルミネート及びフェライトは クリンカ と称する中間製品として製造される すなわち酸化カルシウム (CaO) 酸化ケイ素 (SiO) 酸化アルミニウム(Al 2 O 3 ) 及び酸化鉄 (Fe 2 O 3 ) がクリンカの主要化学成分で

2 ある [3] ポルトランドセメントの製造には主として天然原料が使用されるため 上記 化合物は純粋なものではない これらの構成物質は水和反応速度 強さの発現性 水 和熱等の性質が異なる この様な性質の異なる物質の組成を変化させたり石膏の添加 量 セメントの粉末度 ( 比表面積値 ) などを変化させる事により 物性の異なる種々の ポルトランドセメントを製造する事ができる クリンカ成分の性質は表 -1 の様である 表 -1 クリンカ成分の性質 [4] セメント基礎知識 太平洋セメントを参考に編集 クリンカ成分名 組 成 性 質 エーライト 3CaO SiO 2 水和反応速度大 水和熱中 初期及び長期の強さ発現性に優れる 水和物は中程度の化学的抵抗性と乾燥収縮を有する ビーライト 2CaO SiO 2 水和反応速度小 水和熱小 初期強さの発現性に劣るが 長期にわたり水和を継続するため終局強さには寄与する 化学的抵抗性及び乾燥収縮性にも優れる アルミネート 3CaO Al 2 O 3 水和反応速度大 水和熱大 初期の強さに寄与するが 長期強さへの寄与は小さい 化学的抵抗性及び乾燥収縮性にも劣り ビーライトとは対照的な性質を持つ フェライト 4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3 水和反応速度 強さ 水和熱 化学的抵抗性 乾燥収縮性のいづれも中程度であり 他の 3つのクリンカ成分と比較し特段の特徴はない クリンカに石膏を添加してポルトランドセメントとするが 石膏を添加する目的は アルミネートと水との反応を抑制するためである 石膏を添加しない場合には アル ミネート単独での水和により急結または瞬結が生じる 石膏を添加すると アルミネ ート粒子表面に水和物の一種であるエトリンガイトが生成し アルミネート単独での 水和反応が抑制される 1.2. 混合セメント 混合セメントはポルトランドセメントに各種混合材 ( 高炉スラグ フライアッシュ シリカ質混合材等 ) を混ぜたセメントである 1.3. 特殊セメント 特殊セメントは JIS 規格に規定されていないセメントでありポルトランドセメント をベースにし 用途に応じて混和材を添加した 膨張性のセメント 低発熱セメン ト ポルトランドセメントの成分や粒度の構成を変えた 白色ポルトランドセメン ト 超微粒子セメント 高ビーライト系セメント セメント系固化材 及びポー トランドセメントとは異なる成分の アルミナセメント 歯科用セメント 超速硬 セメント 気硬性セメント 等がある

3 2. セメントの種類と用途 セメントはクリンカ成分の構成比率 石膏の添加量 混合材料の種類と添加量 混 和材の種類等により異なる性能 ( コンクリートの性能 ) が得られる 表 -2 に代表的なセ メントの特徴及び用途を示す [1] 表 -2 セメントの特徴及び用途 セメントのタイプ セメント名称 特 徴 用 途 普通ポルトランドセメント 土木 建築構造物の建設用として汎用性が高い 国内で使用されるセメントの 70% を占め 一般建築 土木工事 る 早強ポルトランド 初期強度の発現性に優れるエーライトの含有率を高め 水と接触する面積を多くするため 緊急工事 寒冷期の工事 セメント にセメント粒子を細かく砕いて 短期間に高い強度が得られる 超早強ポルトラン 早強ポルトランドセメントよりも さらに短 緊急補修 ドセメント 期間で強度を発揮する ポルトランドセメ 中庸熱ポルトランドセメント 体積の大きな構造物の工事用に 水和熱を低くするためにエーライト アルミネートの含有量を少なくしたセメント ダム大規模な橋脚工事 ント 長期強度に優れる 乾燥収縮が小さい 硫酸塩に対する抵抗性が大きい 低熱ポルトランドセメント 中庸熱ポルトランドセメントより水和熱が低いセメント ビーライトの含有率が 40% 以上と規定されている 長期において強度を発揮する コンクリートの低熱性 高強度性 高流動性に対応するセメント 高流動コンクリート アルミネートは硫酸塩に対する抵抗性が弱い 護岸工事 耐硫酸塩ポルトラ ため その含有量を極力少なくしたセメント 温泉地付近 化 ンドセメント 海水中や温泉地近くの土壌 下水 工場排水中の硫酸塩に対する抵抗性が高い 学工場の工事 混合セメント 高炉セメント 製鉄所から出る高炉スラグの微粉末を混合したセメント 長期強度の増進が大きく 耐海水性や化学抵抗性に優れる ダム 港湾などの大型土木工事

4 表 -2 セメントの特徴及び用途 ( つづき ) セメントのタイプ混合セメント特殊セメント セメント名称 特 徴 用 途 フライアッシュセメント 主に火力発電所で燃焼時に発生するフライアッシュを混合したセメント 良質なフライアッシュは球形なためコンクリートのワーカビリティが向上する フライアッシュに含まれる二酸化ケイ素がセメントの水和反応により生じた水酸化カルシウムと反応して水和物 ( ケイ酸カルシウム水和物 ) を生成する この水和物は緻密で耐久性に優れている ダムや港湾等の大型土木工事水密性を要求される構造物 二酸化ケイ素を 60% 以上含んだ 天然のシリ コンクリート シリカセメント カ混合材を混合したセメント 製品 耐薬品性に優れる 初期強度が低く強度発揮 に時間がかかる 廃棄物問題の解決を目指して開発された 鉄筋を使用し エコセメント 原料となる廃棄物の影響により ポルトラン ないコンクリ ドセメントより少し多い塩素が含まれてい ート る コンクリートは乾燥すると収縮するため 鉄 トンネル工事 筋や構造物の形 部位により ひび割れ の 原因になる また同一箇所に長時間大きな荷 膨張性のセメント 重がかかると 復元しない変形が生じる こ れらの問題を防止するために セメントに膨 張材を加えたセメント 膨張材にはカルシウ ムサルフォアルミネート系と生石灰系があ る ポルトランドセメントに含まれる着色成分で 各種構造物の 白色ポルトランド ある酸化第二鉄を出来る限抑えて 白色にし 表面仕上げ用 セメント たセメント モルタル カラーセメン ト

5 表 -2 セメントの特徴及び用途 ( つづき ) セメント セメント名称特徴用途 のタイプ 超微粒子セメント 通常のセメントより微粒子になるよう粉砕したセメント トンネル工事において岩盤から流出する地下水を止める場合は短時間で硬化するよう成分を調整する また油井 地熱井などの掘削に用いる場合は高温高圧環境下の使用となるため 反応速度が遅く 長期間粘性を低く保持できるような成分調整をする トンネル工事の止水石油掘削用の油井や地熱発電用の地熱井工事 特殊セメ ント 土あるいはこれに類するもの を固めるこ とを目的にポルトランドセメントの成分 粒 軟弱地盤の改 良 セメント系固化材 アルミナセメント 度の構成を変更し 土質に応じて有効成分を添加したものボーキサイトと石灰石からつくられたセメント練混後 6~12 時間で普通ポルトランドセメントの材齢 28 日の強さを発揮する 耐火性 耐酸性にも優れている ヘドロや建設発生土の改良下水汚泥の固化緊急工事寒冷地での工事や耐火物化学工場の建設工事 3. ポルトランドセメントの製造工程セメント産業は典型的な装置産業で主な設備は 原燃料を受け入れるサイロやストックヤード 焼成設備の予熱機タワーと回転窯 完成したセメントを保管するサイロ 出荷設備 等であり 特に予熱機タワーの高さは約 80m 回転窯は直径 5~ 6m 長さは約 100mに及び巨大な設備である この様なセメント工場が 2009 年現在 国内に32ヶ所ある 3.1. セメントの主要原料とリサイクル原料セメントの主原料は石灰石 粘土 珪石 鉄原料であるが 一般にセメント 1トンを生産するためには石灰石を約 1200Kg 粘土を 240Kg 珪石を 40Kg 鉄原料を 30Kg 石膏を 30Kg 必要とされている [4] セメントの主要成分である CaO SiO 2 Fe 2 O 3 Al 2 O 3 を含むものは セメント工場でのリサイクルが期待出来 セメント産業では他産業で発生した廃棄物や副産物を原料 エネルギー 製品の一部として活用している セメ

6 ント工場が受け入れている代表的な廃棄物は石炭灰 焼却灰 下水汚泥 鋳物砂 廃 タイヤ等である また代表的な副産物は石膏 高炉スラグである 表 -3 にセメント生 産量 セメント主要原料及び他産業の廃棄物 副産物の使用量を示す 表 -3 セメント生産量 主要原料及び他産業の廃棄物 副産物の使用量 単位千トン 種類 主な用途 2004 年 2005 年 2006 年 2007 年 2008 年 セメント生産量 製品 67,376 69,629 69,942 67,685 62,810 クリンカ生産量 中間製品 65,390 66,688 66,604 61,882 57,233 石灰石 原料 75,328 76,073 75,832 74,071 70,166 粘土 原料 9,936 10,224 10,743 10,649 10,474 珪石 原料 5,697 5,583 5,262 4,972 4,531 鉄原料 ( 鉱さい ) 原料 5,228 5,297 4,955 5,115 4,864 石膏 原料 ( 添加材 ) 2,567 2,621 2,617 2,604 2,438 高炉スラグ 原料 混合材 9,231 9,214 9,711 9,304 8,734 石炭灰 ( フライアッシュ ) 原料 混合材 6,937 7,185 6,995 7,256 7,149 汚泥 スラッジ 原料 2,649 2,526 2,965 3,175 3,038 建設発生土 原料 1,692 2,097 2,589 2,643 2,779 燃えがら 原料 熱エネルキ ー 1,110 1, ,173 1,225 非鉄鉱滓等 原料 1,305 1,318 1,098 1, 鋳物砂 原料 製鋼スラグ 原料 廃プラスチック 熱エネルキ ー 木くず 原料 熱エネルキ ー 廃白土 原料 熱エネルキ ー 廃油 熱エネルキ ー 再生油 熱エネルキ ー 廃タイヤ 原料 熱エネルキ ー 肉骨粉 原料 熱エネルキ ー ボタ 原料 熱エネルキ ー その他 注 1) 出典 : セメント クリンカ 石灰石 粘土 鉄原料 ( 鉱さい ) 石膏は 経済産業省生産動態 統計 より暦年データ 他のデータは 社団法人セメント協会 : セメント業界の廃棄 物 副産物の受け入れ状況 会計年度データを参考に編集

7 3.2. セメント製造工程 図 -1 にポルトランドセメントの製造工程を示す セメントの製造は 原料工程 焼 成工程 及び 仕上工程 の 3 工程に大別できる

8 原料工程原料工程では セメントの主な原料である石灰石 粘土 珪石 鉄原料などを 所要の構成成分になるように調合し 乾燥 粉砕して粉末原料を生産する 天然原料の代替として使用する石炭灰 焼却灰 鋳物砂 汚泥 スラグ等はこの工程で配合する 1 原料の乾燥 混合 : 原料は所定の割合で混合され ドライヤを通過する事により乾燥する 2 原料の粉砕 : 乾燥した原料を原料ミル ( ボールミル ) にて粉砕する 3 原料の仮貯蔵 : 粉砕された原料は混合サイロに入る 混合サイロは複数あり 異なる時間帯に配合した原料を混合サイロで仮貯蔵する 4 原料の貯蔵 : 仮貯蔵した原料どうしを目的の化学組成になるように再度混合して貯蔵サイロで保管する 5 品質管理 : 各混合サイロの原料をどの様な割合で混合するかにより セメントの化学組成に影響を及ぼすため 日本のセメント工場では一般に次の 3 種の指標を管理している a. 水硬率 (Hydraulic Module) HM=CaO/(SiO 2 +Al 2 O 3 +Fe 2 O 3 ) b. ケイ酸率 (Silica Module) SM= SiO 2 /(Al 2 O 3 +Fe 2 O 3 ) c. 鉄率 (Iron Module) IM= Al 2 O 3 /Fe 2 O 3 水硬率は最も重視される指標であり 水硬率が大きい程クリンカ中の酸化カルシウム量及びエーライト量が多くなる そのため強度の発現性は高まるが 焼成反応性が低下し原料原単位が増大し 製造コストの増大につながる ケイ酸率が大きいとクリンカ中の二酸化ケイ素量が増しビーライトに富むクリンカとなるため 低発熱性で長期材齢での強度に優れたセメントになる 鉄率が大きいと酸化アルミニウム量が増加するため 初期材齢での強度の発現性が高まるが 化学抵抗性の低いセメントになる 焼成工程焼成工程では貯蔵サイロから送られてきた混合原料を焼成しクリンカを製造する 石灰石 粘土 珪石及び鉄原料は化学反応を起こし 水硬性を有するクリンカ鉱物に変化する 1 仮焼 ( 予熱 ): 混合原料をロータリーキルンの排熱を利用したサンペンションプレヒーター又はサンペンションプレヒーターの最下段部に仮焼炉を設置したニューサンペンションプレヒーターで予熱する プレヒーターは4 段から5 段のサイクロンを上下に連結してあり プレヒーターの上段から投入された原料は最下段に到達すると約 1000 前後で仮焼され石灰石の脱炭酸が進行する 2 焼成 : ついで原料はロータリーキルンという回転窯に入り 最高温部で 1450 以上の温度で焼成される 原料同士の最終的な化学反応が進行しクリンカ鉱物が生

9 成する 3 クリンカの冷却 : 焼成により生成した塊状のクリンカをエアークエンチングクーラーと呼ばれる装置で 空気と熱交換することにより直ちに冷却する 4 貯蔵 : 冷却されたクリンカを複数あるクリンカサイロに貯蔵する 仕上工程仕上工程では 所定の性状にするために石膏と粉砕助剤を加えて粉砕する クリンカ鉱物と水との水和反応性を調整する石膏を加え粉末状態にすることで ポルトランドセメントが出来る ポルトランドセメントに各種混合材を加えた 混合セメント があるが これら混合材は仕上げ工程でクリンカ及び石膏とともに混合粉砕または分離粉砕されてセメントに混合される 1 混合 粉砕 : クリンカサイロから送られてくるクリンカ 石膏及び粉砕助剤を混合し 粉砕機 ( ボールミル ) にて粉砕する この段階で高炉スラグ フライアッシュ及びシリカ質混合材を加え粉砕して混合セメントを製造する ( 混合材を単独で粉砕する場合もある ) 2 分級 : 粉砕後セパレーターに導入し セパレーター中の回転翼の回転数を制御することにより 所定の粒度でセメントを分級する 3 貯蔵 : 分級したセメントは複数あるセメントサイロに貯蔵する 4. セメントの生産量 輸入量 輸出量 4.1. 国別セメント生産量 USGS 2007 Minerals Yearbook によれば 2007 年における全世界のセメント生産量 は 152 ヶ国で約 27 億 7 千万トンであった 国別の生産量は中国が約 13 億 5 千万トン と全世界の生産量の約 49% を占めている インドが 1 億 7 千万トン (6.1%) アメリ カが 9685 万トン (3.5%) 日本が 6768 万トン (2.4%) ロシアが 5990 万トン (2.2%) 韓国が 5704 万トン (2.1%) である 表 -4 に主要生産国のセメント生産量を示す 表 -4 国別セメント生産量 USGS 2007 Minerals Yearbook [2] 国 名 2003 年 2004 年 2005 年 2006 年 2007 年 千トン 千トン 千トン 千トン 千トン 比率 中 国 862, ,000 1,068,850 1,236,770 1, インド 123, , , , , アメリカ 94,329 99, ,903 99,712 96, 日 本 68,766 67,376 69,692 69,942 67, ロシア 41,000 45,700 48,500 54,700 59, 韓 国 60,725 56,955 51,391 53,971 57,

10 スペイン 44,747 45,593 50,347 54,033 54, トルコ 35,077 38,796 42,787 47,499 49, イタリア 43,580 45,343 40,284 47,814 47, ブラジル 34,010 34,413 36,673 39,540 46, 全世界合計 2,030,000 2,190,000 2,350,000 2,600,000 2,770, 日本におけるセメント生産量日本におけるセメントの生産量は 経済産業省生産動態統計 によれば 2008 年には6 千 281 万トンであった その内訳はポルトランドセメントが約 77% 混合セメントが約 22% その他セメント( 特殊セメント ) が約 1% であった 表 -5 に 2004 年から 2008 年までのセメント生産推移を示す 表 -5 セメント生産量出典 : 経済産業省生産動態統計 [5] 単位千トン セメントのタイ プ セメント名称 2004 年 2005 年 2006 年 2007 年 2008 年 比率 早強 中庸熱ポルト 3,450 3,944 4,033 3,985 4, ポルトランドセ メント 混合セメント ランドセメント普通ポルトランドセメントフライアッシュセメント 47,840 49,321 50,680 48,608 44, 高炉セメント 15,343 15,543 14,487 14,320 13, その他セメント セメント合計 67,376 69,629 69,942 67,685 62, クリンカ ( セメント中間製品 ) 65,390 66,688 66,604 61,882 57, セメント輸入量 輸出量 2008 年におけるセメントの輸入量は約 93 万 5 千トン クリンカが 1461 トンであった この輸入量はセメント国内生産の約 1.5% に相当する 表 6 に各種セメント及びクリンカの輸入上位 3ヶ国の輸入量を示した セメントの国別輸入比率は韓国が 77.3% 中国が 15.7% と2ヶ国で 93% を占めている

11 2008 年におけるセメントの輸出量は 628 万 5 千トン クリンカは 463 万 5 千トンであった この輸出量はセメント国内生産量の約 10% クリンカ国内生産量の約 8% を占めている セメントの国別輸出比率はシンガポールが 29.2% 韓国が 23.5% 香港が 10.7% ナイジェリアが 9.4% 中国が 9.3% クエートが 6.5% 等である クリンカの国別輸出比率はオーストラリアが 26.5% マレーシアが 13.5% アラブ首長国連邦が 8.6% カタールが 6.8% ケニアが 6.8% ベナンが 5.6% 等である 表 7 にクリンカ及びセメントの輸出量を示す [6] 表 -6 セメント国別輸入量推移出典 : 財務省貿易統計単位トン セメントのタイプ 輸入国名 2004 年 2005 年 2006 年 2007 年 2008 年 比率 クリンカ ( 中間製品 ) 中国 2,080 1,200 1,448 1,722 1, インド フランス クリンカ合計 3,653 1,362 1,560 1,762 1, 中国 ポートランド白色 セメント アメリカ オーストラリア 小計 韓国 792, , , , , その他のホ ートラント セメント 中国 22,107 46, , , , カナダ 小計 815, ,839 1,044,964 1,118, , 中国 6,766 10,012 13,410 14,956 15, アルミナセメント フランス 12,283 17,360 18,271 16,186 12, オランダ 1,465 1,503 1,713 1,606 1, 小計 21,798 36,336 34,535 33,861 30, 韓国 その他の水硬性セ メント アメリカ 中国 小計 セメント合計 837, ,689 1,080,471 1,153, ,388

12 表 -7 セメント輸出量推移 出典 : 財務省貿易統計 [6] 単位トン セメントのタイプ 2004 年 2005 年 2006 年 2007 年 2008 年 クリンカ ( 中間製品 ) 4,941,519 4,051,932 3,271,407 3,667,256 4,635,568 ポートランド白色セメント 5,008 5,014 4,853 4,611 4,700 その他のホ ートラント セメント 5,337,119 6,091,843 6,820,507 5,922,613 6,269,793 アルミナセメント 3,406 3,309 3,899 4,022 3,207 その他の水硬性セメント 25,510 44,656 20,270 8,533 7,422 合 計 ( クリンカを除く ) 5,371,043 6,144,822 6,849,529 5,939,779 6,285, セメントの用途セメントは そのほとんどがコンクリートとして使用されている 社団法人セメント協会資料によると 生コンクリートの組成はセメント (13.1%) 粗骨材: 砂利 (40.5%) 細骨材: 砂 (38.5%) 水(7.8%) 混和剤(0.1%) である コンクリートの他にセメントペーストやモルタルとして使用されている セメントペーストはセメントを水で練混ぜたもの モルタルはセメントペーストに砂を練混ぜたものである コンクリートは 自由な形のものが作れる 耐火的である 耐久性に富む 圧縮に対する抵抗性が大きい など 多くの利点があるが 一方 引張りに対する抵抗性が小さい 質量が大きい 十分な強度が得られるまで時間がかかる などの短所もあり 短所を補うために鉄筋と複合して使用するなど様々な工夫がされている コンクリートを使う目的 場所 時期など様々な条件に応じて 種々のコンクリートが使用されている [1] 6. 参考資料 [1] 社団法人セメント協会 年 3 月 [2] USGS 2007 Minerals Yearbook [3] コンクリートはなぜ固まる 高エネルギー加速器研究機構 [4] セメント基礎知識 太平洋セメント株式会社 年 3 月 [5] 経済産業省生産動態統計 経済産業省 [6] 貿易統計 財務省

強度のメカニズム コンクリートは 骨材同士をセメントペーストで結合したものです したがって コンクリート強度は セメントペーストの接着力に支配されます セメントペーストの接着力は 水セメント比 (W/C 質量比 ) によって決められます 水セメント比が小さいほど 高濃度のセメントペーストとなり 接着

強度のメカニズム コンクリートは 骨材同士をセメントペーストで結合したものです したがって コンクリート強度は セメントペーストの接着力に支配されます セメントペーストの接着力は 水セメント比 (W/C 質量比 ) によって決められます 水セメント比が小さいほど 高濃度のセメントペーストとなり 接着 コンクリートの強度 コンクリートの最も重要な特性は強度です ここでは まず コンクリート強度の基本的特性について解説し 次に 呼び強度および配合強度がどのように設定されるか について説明します 強度のメカニズム 強度の影響要因 強度性状 構造物の強度と供試体強度 配合 ( 調合 ) 強度と呼び強度の算定 材料強度のばらつき 配合強度の設定 呼び強度の割増し 構造体強度補正値 舞鶴市および周辺部における構造体強度補正値

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