セメント

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1. 石灰石（炭酸カルシウム），粘土，などを原料とした粉体で建設用途に使用される材料．本稿で詳述．
2. プロレスにおいて，アングル，ブックを無視した本気の仕掛けのことを指す隠語．→シュート (プロレス)，ガチンコを参照．

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セメント (Cement) とは水と反応（水和）して硬化する性質を有した粉体のことである．一般には，建設用途に使用される「ポルトランドセメント」およびこれをベースとした「混合セメント」のことを指す．

目次 1 セメントの用途 2 ポルトランドセメントの発明者 3 ポルトランドセメントを構成する物質 4 ポルトランドセメントの製造工程 4.1 原料工程 4.2 焼成工程 4.3 仕上工程 5 セメントの種類 6 関連項目 7 外部リンク

[編集] セメントの用途

• 「ポルトランドセメント」および「混合」セメントのいずれも土木･建築用のコンクリートおよびモルタルの材料として使用される．

• コンクリートは，セメント，水，砂，砂利を主な構成物とする．モルタルは，主としてセメント，水および砂より成る．実際には，減水剤，AE剤，高性能AE減水剤などの化学混和剤を添加し，さらに，空気量も適度に確保するように考慮して設計･製造される．なお，セメントと水のみから成る材料を「ペースト」と称するが，これはもっぱら研究用に用いられるものであり，実用されることはほとんどない．

[編集] ポルトランドセメントの発明者

• 「ポルトランドセメント」という名称のセメントを発明したのは，英国Leeds(リーズ)のレンガ積み職人のJoseph Aspdin(アスプジン)とされている．1824年10月21日付英国特許第5022号に「Portland Cement」という名称が初めて見られる．"cement"というのは，糊というほどの意味であるが，それに"Portland"を付したのは，硬化したしたあとの風合いがIsle of Portland(ポルトランド島)で採れる"Portland limestone"に似ているからであった．

[編集] ポルトランドセメントを構成する物質

• ポルトランドセメントを構成する主な物質は，ケイ酸三カルシウム(エーライト；3CaO･SiO₂ )，ケイ酸二カルシウム(ビーライト；2CaO･SiO₂)，カルシウムアルミネート(アルミネート；3CaO･Al₂O₃)，カルシウムアルミノフェライト(フェライト；4CaO･Al₂O₃･Fe₂O₃)および硫酸カルシウム(セッコウ；CaSO₄･2H₂O)である．エーライト，ビーライト，アルミネートおよびフェライトは「クリンカー」と称する中間製品として製造される．つまり，酸化カルシウム(CaO)，酸化ケイ素(SiO₂)，酸化アルミニウム(Al₂O₃)および酸化鉄(Fe₂O₃)が，クリンカーの主要化学成分である．

• ポルトランドセメントの製造にはもっぱら天然の原燃料を使用するので，実際には，上記化合物は純粋なものではなく，少量成分を固溶している．そこで，クリンカー中の化合物は「クリンカー鉱物」と呼ばれている．中間製品のクリンカーに適量のセッコウを混合・粉砕して商品としてのセメントが製造される．

• エーライトとビーライトはいずれもケイ酸塩であるから，両者をまとめて「シリケート相」と称する．また，アルミネートとフェライトはクリンカー中でシリケート相の間隙部に存在するため，まとめて「間隙相」と称する．

• それぞれのクリンカー鉱物は，水和反応速度，強さの発現性，水和熱などの性質が異なる．このような性質の異なるクリンカー鉱物の組成を変化させ，さらに，セッコウの添加量，セメントの粉末度(比表面積値)などを変化させることによって，物性の異なる種々のポルトランドセメントを製造することができる．

• 具体的には各々のクリンカー鉱物は，以下の性質を有する．
  • エーライトは，中等度の水和速度を有し，初期および長期の強さ発現性に優れる．水和物は中等度の化学的抵抗性と乾燥収縮を有する．
  • ビーライトは，水和速度が遅く，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．水和熱が小さく，化学的抵抗性および乾燥収縮性状にも優れる．
  • アルミネートは，水和速度が非常に速く，初期の強さに寄与するが，長期強さへの寄与は小さい．水和熱が大きく，化学的抵抗性および乾燥収縮性状にも劣り，ビーライトとは対照的な性質を持つ．
  • フェライトは，水和速度，強さ，水和熱，化学的抵抗性，乾燥収縮性状のいずれにおいても中等度であり，他の３つのクリンカー鉱物に比べると特段の特徴がない．しかし，この鉱物が生成するように設計することにより後述のクリンカーの焼成において，エーライトの生成温度を下げることが可能となっており，セメントの経済性に寄与する役割を果たしている．

• なお，クリンカー鉱物の名称に関しては，興味深いエピソードが伝えられている．A.E. Toernebohm(テルネボーム)は1897年にストックホルムで開催された国際材料試験会議にてクリンカーの光学顕微鏡観察の結果を報告し，クリンカーがアリット(エーライト)，ベリット(ビーライト)およびこれらを取り巻く間隙から成ることを初めて報告したとされている．間隙については組織が微細で詳細がわかなかったため，セリット(シーライト)とされた．これらは，非常に単純なルールで命名された．すなわち，アルファベット"A"，"B"，"C"と鉱物名であることを表す接尾語"-lite"を組み合わせただけのものである．

• ある化学組成を有するクリンカー中に存在するクリンカー鉱物の理論組成(ポテンシャル)は，1920年代にR.H.Bogueにより考案されたBogue式によって求めることができる．Bogue式では与えられたクリンカーの化学組成における化学量論組成のクリンカー鉱物および無水セッコウの生成反応の平衡状態を仮定する．無水セッコウの生成を仮定するのは，クリンカー焼成の際に用いる燃料(もっぱら石炭)に由来する酸化硫黄(SO₃)が少量存在するためである．

• 実際の商業クリンカーは完全な平衡状態に達しておらず，少量(1%以下)の未反応の遊離酸化カルシウム(フリーライム；f.CaO)を含有している．また，原料に由来する少量成分はクリンカー鉱物に固溶し，あるいは上記とは異なる鉱物を生成する．例えば，SO₃は通常の含有量(1%以下)であれば無水セッコウではなく，アルカリ硫酸塩を生成する．そのため，実際のクリンカー鉱物組成はBogue式により求まるものとは異なると考えられている．しかし，クリンカーの化学組成を代入するだけで簡便に鉱物組成を求められる利点は他の定量方法には代え難い．そこで，各国の国家規格等では品質を担保するためにBogue式により得られる特定のクリンカー鉱物量に上限または下限を規定している場合がある．

• クリンカーにセッコウを添加してポルトランドセメントとするのは，アルミネートと水との反応を抑制するためである．セッコウを添加しないポルトランドセメント(つまり，クリンカー粉末)では，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．ポルトランドセメントが発明された当時はセメントにセッコウを添加していなかったため，製造後にセメントを意図的に風化させてこの反応を抑制していた．セメントにセッコウを添加すると，接水により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阻害される．このようにして，フレッシュなコンクリートはプラスティックな状態を保つことができる．

[編集] ポルトランドセメントの製造工程

• 現在の日本国内のセメント工場は，全て乾式サスペンションプレヒーター付ロータリーキルン(回転窯)方式でポルトランドセメントを製造している．この方式は現在世界で最も熱効率･生産性に優れたものである．他の歴史的な製造方式としては，シャフトキルン(竪窯)方式，湿式ロータリーキルン方式などがある．世界的に見ればこれらの既にあまり効率的でない製造方式もなお健在であるが，以下では日本国内の製造方式に絞って工程を記述する．

• ポルトランドセメントの製造工程は(1)原料工程，(2)焼成工程，(3)仕上工程の三つに大きく区分される．

[編集] 原料工程

• クリンカーの主原料は，石灰石，粘土，ケイ石および鉄原料である．これらを乾燥し，焼成後に目的の化学成分のクリンカーが得られるよう混合･粉砕するのが原料工程である．

• 通常，乾燥が必要なのは粘土に限定され，他の原料はドライヤーを通過しない．ドライヤーの後段で粘土以外の原料が所定の割合で合流し，原料ミルに入る．原料ミル(ボールミル)で混合･粉砕された原料はブレンディングサイロに入る．ブレンディングサイロは複数あり，異なる時間帯に調合した原料を仮貯蔵する．最後に，これらの異なる時間帯に調合した原料どうしを再度混合して化学組成の最終的な調合を行い，ストレージサイロに貯蔵する．

• 主要原料はクリンカーの主要成分を高濃度で含有しているのに対し，クリンカーの主要成分の濃度は主要原料のそれよりも低い．つまり，セメント工業は原料を適度に混合し「純度を下げる」プロセスである．この点は，石油化学工業，金属製錬工業など多くの化学工業が「純度を上げる」プロセスであるのとは対照的である．

• 原料の化学成分の管理には，「モジュラス」と呼ばれる通常三つで1組の指標を使用する．製造しようとするセメントの品種(物性)および生産性を考慮して目標モジュラスを設定し，これを維持するよう原料の化学成分を管理する．モジュラスはセメントメーカーによっては「(化学)係数値」，「諸率」などとも呼ばれる．モジュラスが３つで１組となって運用されているのは，主要原料が４つであるからである．モジュラスの３つの条件と「焼成後の質量が合計で１トンとなる」ことを条件とすれば，四元連立方程式の解として原料原単位を決定できる．

• 日本のセメント工場では水硬率(Hydraulic Module；HM＝CaO/(SiO₂＋Al₂O₃＋Fe₂O₃)；単位はmass%（以下同じ）)，ケイ酸率(Silica Module；SM＝SiO₂/(Al₂O₃＋Fe₂O₃))および鉄率(Iron Module；IM＝Al₂O₃/Fe₂O₃)が主に用いられている．

• 水硬率HMはモジュラスの中で最も重視される指標である．HMが大きいほどクリンカー中のCaO量およびエーライト量が多くなる．そのため強さ発現性は高まるが，一方で焼成反応性が低下する．クリンカーの焼成反応性が低下すると燃料原単位が増大し，製造コストの増大につながる．また，クリンカー中にはf.CaOが未反応のまま残存するようになる．現在の日本国内の普通セメントのクリンカーのHMは2.0～2.2である．

• ケイ酸率SMが大きいと焼成を円滑に進めるために必要なクリンカー融液(焼成工程の項で詳述する)の量が少なくなり，焼成温度は高くなりがちである．その結果，焼成設備を損傷し易くなる．しかし，クリンカー中のSiO₂量が増しビーライトに富むクリンカーとなるので，低発熱性で長期材齢での強さに優れたセメントが製造できる．一方，SMが小さすぎると融液量が多くなるので，キルン内壁のコーティング量の増加による原料の閉塞(「コーティングトラブル」)の懸念がある．現在の国内の普通セメントクリンカーのSMは2.4～2.8である．

• 鉄率IMが大きいとAl₂O₃量が増えてアルミネート量が増加するため，初期材齢での強さの発現性が高まるが，化学抵抗性の低いセメントとなる．現在の国内の普通セメントクリンカーのIMは1.9～2.1である．

• 石灰飽和度(Lime Saturation DegreeまたはLime Saturation Factor；LSD＝100CaO/(2.80SiO₂＋1.18Al₂O₃＋0.65Fe₂O₃))はHMの代わりに用いることがある．SiO₂，Al₂O₃およびFe₂O₃と結合できる最大のCaO量を1.0とする指標である．日本国内の普通セメントクリンカーでの標準的な値は0.92～0.96である．LSDが1.0を超える場合，焼成温度を高くしても焼成時間を長くしてもf.CaOが残る．また，品位の低い石灰石を使用するセメント工場では，MgO量も考慮して石灰飽和度を管理することがある．

• 活動係数(Activity Index；AI＝SiO₂/Al₂O₃)はSMと同様の指標である．現在の日本国内の普通セメントクリンカーでの標準的な値は3.8～4.2である．

• LSD以外の指標は，R.H.Bogueによる鉱物組成のポテンシャル計算が考案される以前からセメントの製造に用いられており，現在に至っている．

[編集] 焼成工程

• 焼成工程では調合原料を焼成しクリンカーを製造する．石灰石，ケイ石，粘土および鉄原料の混合物は化学反応を起こし，水硬性を有するクリンカー鉱物に変化する．焼成工程では熱効率を高めつつ焼成反応を完結させる(クリンカー中のf.CaO量を少なくする)ことに注意が払われる．

• 原料の加熱方式には，サスペンションプレヒーター(SP)方式またはニューサスペンションプレヒーター(NSP)方式と呼ばれる2種類がある．前者では4段ないし5段のサイクロンを上下に連結し，ロータリーキルンのバーナーから供給される燃焼排ガスにより原料を予熱する．後者ではキルンのメインバーナーだけでなくSP最下段部にも仮焼炉があり，ここで原料の加熱を積極的に行い石灰石の脱炭酸を促進する．現在，NSP方式は熱効率と生産性に最も優れた加熱方式である．燃料には微粉炭を使用するのが一般的である．

• ストレージサイロに貯蔵された原料はプレヒーター上段より投入され，プレヒーター下段(上流側)からの熱風により予熱される．各ステージで熱交換してプレヒーター下段に到達すると1000℃前後で仮焼され，石灰石の脱炭酸が進行する．次にロータリーキルンの最高温部(焼成帯)で1450℃以上の温度で焼成され，ここで原料どうしの最終的な化学反応(クリンカー鉱物の生成反応)が進行する．このとき，焼成物の一部が融液となり造粒が進む結果，塊状のクリンカーとなる．クリンカーはバーナー下を通過するとクリンカークーラーに落ち，直ちに冷却される．

• クリンカーの融液はクリンカー鉱物(特に，エーライト)の生成反応を促進し，塊状物を形成するために有用である．焼成時の融液の割合は液相度LP(融液量；percentage Liquid Phase)で表現される．適切な液相度は15～25%とされている．

• 焼成後のクリンカーを急冷するのは，ビーライトの常温安定相への転移を防ぐためである．ビーライトにはいくつかの多形がある．高温で安定なα型，α'型およびβ型は水硬性を有するが，γ型は水硬性を持たない．また，高温型からγ型へ転移する際には「ダスティング」と呼ばれるクリンカーの粉化現象が生じ，クリンカーのハンドリングが困難となる．

• クリンカー焼成反応を完結させるために理論的に必要なエネルギーは，原燃料およびクリンカー鉱物組成により異なるが，標準的には400～420Mcal/t-cli.と言われている．実際の国内セメント工場における熱量原単位は750Mcal/t-cli.前後となるので，燃焼系統の廃熱を原料工程での乾燥に用いるなど，エネルギー効率の向上が図られている．

[編集] 仕上工程

• 仕上工程ではセメントのSO₃量および比表面積値が目標通りとなるようにクリンカーをセッコウとともに粉砕し，粉末状のセメントを製造する．セッコウに関しては，諸外国では天然セッコウを使用する場合が多いが，日本では良質な天然セッコウに恵まれないため副産セッコウ，特に，排煙脱硫セッコウが使用されている．セッコウの種類は二水塩が基本である．

• 粉砕に用いる設備は粉砕機(ボールミル；仕上ミル)と分級機(セパレーター)である．クリンカーとセッコウは粉砕助剤とともに仕上ミルに入って粉砕され，次いでセパレーターに導入される．セパレーターの中では回転翼が回転している．空気流に乗った粗い粒子はこの回転翼により叩き落とされるが，微細粒子はここを通過することができる．回転翼の回転数を制御することにより，所定の粒度で粉砕物を分級できる．このようにして*回収された微粉が最終製品のセメントである．粗粉は再び仕上ミル前段に戻される．

• セメントの製造に限らず，粉砕という単位操作はエネルギー効率が極めて低い．投入されるエネルギーのうち，実際の粉砕(新しい表面の生成)に寄与する割合(有効粉砕仕事)はわずかに１%以下とも言われる．セメントの粉砕を効率よく行うことは，セメント製造原価低減のために極めて重要である．そのため，現在では粉砕助剤としてジエチレングリコールなどを用いて効率の向上が図られている．

• また，粉砕のために投入されたエネルギーの大半は熱に変換される．そのため，製造直後のセメントをそのままセメントサイロに貯蔵すると，サイロ内で二水セッコウが脱水しセメントが固結するおそれがある．そこで，製造直後のセメントはセメントクーラーで熱交換してからセメントサイロに貯蔵する．

• 日本で製造されるセメントの75%はポルトランドセメントで，残る25%はポルトランドセメントをベースとした混合セメントである．混合セメントのJIS規格としては，JIS R 5211:2003「高炉セメント」，R 5212:1997「シリカセメント」およびR 5213:1997「フライアッシュセメント」が規定されている．それぞれ混合材料として高炉スラグ，天然シリカ質混合材およびフライアッシュが用いられる．これらの混合材料は仕上工程でクリンカーおよびセッコウ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．

• 高炉スラグは製鉄所の高炉で銑鉄1tにつき300kg発生する副産物である．潜在水硬性(アルカリ刺激により水硬性を発現する性質)を有し，硬化体の耐海水性を向上させる．天然シリカ質混合材はポゾラン反応性(セメントの水和にともない生成する水酸化カルシウムと反応し水和物を生成する性質)を有し，水密性の高い密実なコンクリートの製造に有用である．フライアッシュは火力発電所のボイラーで発生する石炭灰の微粉部分である．天然シリカ質混合材と同様なポゾラン反応性を有するとともに微細な球形を呈するため，コンクリートの水密性および流動性を改善できる．

• ポルトランドセメントに混合材料を混合することは原則として認められていない．ただし，普通ポルトランドセメントに限っては，5%を上限として品質に影響が及ばない範囲で混合材料およびセメント製造用石灰石を混合することが認められている(JIS R 5210:2003「ポルトランドセメント」)．

[編集] セメントの種類

• ポルトランドセメントはJIS R 5210で品質が定められている．用途に合わせた品質（性質）の異なるさまざまな種類のポルトランドセメントがある．これらのポルトランドセメントの性質は，もっぱらエーライト･ビーライト･アルミネートおよびフェライトの構成比および粉末度によって調整される．

• • 普通ポルトランドセメント

  一般的な工事･構造物に使用

  • 早強ポルトランドセメント

  コンクリート製品工場など硬化･強度発現を急ぐ工事･構造物に使用

  • 超早強ポルトランドセメント

  緊急工事用；実態としてはわが国では製造されていない

  • 中庸熱ポルトランドセメント

  マスコンクリート用；水和熱が軽減されている

  • 低熱ポルトランドセメント

  マスコンクリート用；水和熱が中庸熱よりもさらに軽減されている

  • 耐硫酸塩ポルトランドセメント

  化学的耐久性に優れる；わが国ではもっぱら輸出用に製造

• ポルトランドセメントに高炉スラグ，フライアッシュ，シリカ質混合材を添加した混合セメントとしては以下のものがある．これらは，JIS R 5211～5213に添加量および品質が定められている．

• • 高炉セメント

  海水に対する抵抗性に優れ土木工事に使用される．

  • シリカセメント

  耐薬品性を要する化学工場に使用される．実際にはほとんど製造されていない．

  • フライアッシュセメント

  ダム等のマスコンクリートに使用される．

[編集] 関連項目

• 無機化学
• コンクリート
• コンクリート工学
• ケイ酸塩工業

[編集] 外部リンク

• 社団法人セメント協会

• 米PCA(The Portland Cement Association)

• 独VDZ(Verein Deutscher Zementwerke)