脱硫石膏は、硫黄含有燃料（石炭、石油）の燃焼によって発生する排ガス、脱硫精製プロセス中に発生する産業廃棄物、および半水石膏（化学式 CaSO4·0.5H2O）からなり、その性能は天然建築用石膏に匹敵します。そのため、天然石膏の代わりに脱硫石膏を使用してセルフレベリング材を製造する研究や応用がますます増えています。減水剤、保水剤、遅延剤などの有機ポリマー混和剤は、セルフレベリングモルタル材料の組成において不可欠な機能成分です。これら2つとセメント系材料との相互作用とメカニズムは、注目に値する問題です。脱硫石膏は、その形成過程の特性上、粒度が小さく（粒径は主に40～60μmの範囲に分布）、粉末の粒度分布が不均一であるため、レオロジー特性が悪く、それを用いて調製したモルタルスラリーは分離、層状化、ブリーディングが発生しやすい。セルロースエーテルはモルタルに最も一般的に使用される混和剤であり、減水剤との併用は、脱硫石膏をベースとしたセルフレベリング材の施工性能やその後の機械的・耐久性性能などの総合的な性能を実現するための重要な保証となる。
本論文では、流動性値（広がり度145 mm±5 mm）を制御指標として用い、セルロースエーテル含有量と分子量（粘度値）が脱硫石膏系セルフレベリング材の水分消費量、時間の経過に伴う流動性の低下、凝固時間や初期機械的特性などの基本特性に及ぼす影響に焦点を当て、同時に、セルロースエーテルが脱硫石膏の水和時の発熱量と発熱速度に及ぼす影響を検証し、脱硫石膏の水和プロセスへの影響を分析し、この種の混和剤と脱硫石膏ゲル化システムとの適合性について初期的な考察を行う。
1. 原材料および試験方法
1.1 原材料
石膏粉末：唐山市の企業が製造した脱硫石膏粉末。主成分は半水石膏で、化学組成は表1に、物理的特性は表2に示す。
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添加剤としては、セルロースエーテル（ヒドロキシプロピルメチルセルロース、略称HPMC）、高性能減水剤WR、消泡剤B-1、EVA再分散性ラテックス粉末S-05などがあり、これらはすべて市販されている。
骨材：天然の川砂、0.6mmのふるいを通して篩分けした自家製細砂。
1.2 試験方法
脱硫石膏：砂：水＝1：0.5：0.45に固定し、他の混和材を適切な量添加し、流動性を制御指標（膨張145mm±5mm）として、水の消費量を調整し、それぞれセメント系材料（脱硫石膏＋セメント）0、0.5‰、1.0‰、2.0‰、3.0‰のセルロースエーテル（HPMC-20,000）と混合する。さらに、セルロースエーテルの添加量を1‰に固定し、異なる分子量（対応する番号はそれぞれH2、H4、H7.5、H10）のHPMC-20,000、HPMC-40,000、HPMC-75,000、HPMC-100,000ヒドロキシプロピルメチルセルロースエーテルを選択し、セルロースエーテルの添加量と分子量（粘度値）の変化が石膏系セルフレベリングモルタルの特性に及ぼす影響、およびこれら2つが脱硫石膏セルフレベリングモルタル混合物の流動性、凝結時間、初期機械的特性に及ぼす影響について検討した。具体的な試験方法は、GB/T 17669.3-1999「建築用石膏の機械的特性の測定」の要求事項に従って実施した。
水和熱試験は、脱硫石膏のブランク試料と、セルロースエーテル含有量がそれぞれ0.5‰と3‰の試料を用いて実施され、使用する装置はTA-AIR型水和熱試験機である。
2．結果と分析
2.1 セルロースエーテル含有量がモルタルの基本特性に及ぼす影響
含有量の増加に伴い、モルタルの作業性と凝集性が大幅に向上し、時間の経過に伴う流動性の低下が大幅に減少し、施工性能がより優れ、硬化モルタルに剥離現象がなく、表面の滑らかさ、平滑性、美観が大幅に向上しました。同時に、同じ流動性を達成するためのモルタルの水消費量が大幅に増加しました。5‰では、水消費量が102%増加し、最終凝結時間が100分延長され、ブランクサンプルの2.5倍になりました。セルロースエーテルの含有量の増加に伴い、モルタルの初期機械的特性が大幅に低下しました。セルロースエーテルの含有量が5‰の場合、24時間曲げ強度と圧縮強度はそれぞれブランクサンプルの18.75%と11.29%に低下しました。圧縮強度はそれぞれブランクサンプルの39.47%と23.45%です。注目すべきは、保水剤の添加量が増加するにつれて、モルタルの嵩密度も大幅に低下し、0‰の2069 kg/m3から5‰の1747 kg/m3へと15.56%減少したことである。モルタルの密度が低下し、多孔性が増加するため、モルタルの機械的特性が著しく低下する理由の一つとなっている。
セルロースエーテルは非イオン性ポリマーです。セルロースエーテル鎖上のヒドロキシル基とエーテル結合上の酸素原子は水分子と結合して水素結合を形成し、自由水を結合水に変えることで保水性に寄与します。マクロ的には、スラリーの凝集性の増加として現れます[5]。スラリーの粘度が増加すると、水の消費量が増加するだけでなく、溶解したセルロースエーテルが石膏粒子の表面に吸着し、水和反応を阻害して凝結時間を延長します。また、攪拌過程で大量の気泡も導入されます。モルタルが硬化するにつれて空隙が形成され、最終的にモルタルの強度が低下します。モルタル混合物の片側的な水の消費量、施工性能、凝結時間、機械的特性、およびその後の耐久性などを総合的に考慮すると、脱硫石膏系セルフレベリングモルタル中のセルロースエーテルの含有量は1‰を超えないようにする必要があります。
2.2 セルロースエーテルの分子量がモルタルの性能に及ぼす影響
通常、セルロースエーテルの粘度が高く、粒度が細かいほど、保水性が向上し、接着強度が増します。性能は悪影響を受けます。そのため、異なる分子量のセルロースエーテルが石膏系セルフレベリングモルタル材料の基本特性に及ぼす影響をさらにテストしました。モルタルの水要求量はある程度増加しましたが、凝結時間と流動性には明らかな影響はありませんでした。同時に、異なる状態のモルタルの曲げ強度と圧縮強度は低下傾向を示しましたが、その低下はセルロースエーテル含有量が機械的特性に及ぼす影響よりもはるかに小さいものでした。要約すると、セルロースエーテルの分子量の増加はモルタル混合物の性能に明らかな影響はありません。施工の利便性を考慮すると、低粘度で低分子量のセルロースエーテルを脱硫石膏系セルフレベリング材料として選択する必要があります。
2.3 セルロースエーテルが脱硫石膏の水和熱に及ぼす影響
セルロースエーテルの含有量が増加すると、脱硫石膏の水和の発熱ピークは徐々に減少し、ピーク位置の時間はわずかに遅延しましたが、水和の発熱熱は減少しましたが、顕著ではありませんでした。これは、セルロースエーテルが脱硫石膏の水和速度と水和度をある程度遅らせることができるため、添加量は多すぎず、1‰以内に制御する必要があることを示しています。セルロースエーテルが水と接触した後に形成されるコロイド膜が脱硫石膏粒子の表面に吸着し、2時間前の石膏の水和速度を低下させることがわかります。同時に、その独自の保水および増粘効果により、スラリー水の蒸発と散逸が遅延し、後の段階での脱硫石膏のさらなる水和に有益です。要約すると、適切な添加量を制御すれば、セルロースエーテルは脱硫石膏自体の水和速度と水和度にほとんど影響を与えません。同時に、セルロースエーテルの含有量と分子量の増加は、スラリーの粘度を大幅に増加させ、優れた保水性を示します。脱硫石膏セルフレベリングモルタルの流動性を確保するためには、モルタルの凝結時間が長くなるため、水の消費量が大幅に増加します。これが機械的特性の低下の主な原因です。
3．結論
（１）流動性を制御指標として用いる場合、セルロースエーテル含有量の増加に伴い、脱硫石膏系セルフレベリングモルタルの凝結時間は著しく長くなり、機械的特性は著しく低下する。含有量と比較すると、セルロースエーテルの分子量の増加は、モルタルの上記特性にほとんど影響を与えない。総合的に考慮すると、セルロースエーテルは分子量が小さいもの（粘度値が２０ 000 Pa·s未満）を選択し、添加量はセメント系材料の１‰以内に制御する必要がある。
（２）脱硫石膏の水和熱の試験結果から、この試験の範囲内では、セルロースエーテルは脱硫石膏の水和速度と水和プロセスにほとんど影響を与えないことがわかった。脱硫石膏系モルタルの機械的特性が低下する主な理由は、水の消費量の増加と嵩密度の低下である。
投稿日時：2023年5月8日