シリカフューム
シリカフューム（CAS番号： 69012-64-2、EINECS番号：273-761-1）は、二酸化ケイ素（シリカ）の非晶質（非結晶性）多形です。シリコンおよびフェロシリコン合金の製造過程で副産物として得られる超微粉末で、平均粒径150nmの球状粒子で構成されています。主な用途は、高性能コンクリート用の ポゾラン材料です。
フュームドシリカ（別名パイロジェニックシリカ、CAS番号112945-52-5） と混同されることがあります。しかし、フュームドシリカの製造プロセス、粒子特性、用途はシリカフュームとは全く異なります。
歴史
ポルトランドセメント系コンクリートにおけるシリカフュームの最初の試験は1952年に実施されました。シリカフュームの特性を調査する上で最大の難題は、実験材料の不足でした。初期の研究では、ヒュームドシリカと呼ばれる高価な添加剤が使用されました。これは、四塩化ケイ素を水素酸素炎中で燃焼させることで生成される非晶質シリカです。一方、シリカフュームは非常に微細なポゾラン質の非晶質物質で、電気アーク炉で元素シリコンまたはフェロシリコン合金を製造する際に副産物として生成されます。ヨーロッパでは1960年代後半、米国では1970年代半ばまで、シリカフュームは単に大気中に放出されていました。
1970年代半ばに環境規制が強化されると、シリコン製錬業者はシリカフュームの収集と用途開拓に着手しました。ノルウェーで行われた初期の研究は、シリカフュームを含むポルトランドセメント系コンクリートが非常に高い強度と低い気孔率を示すことを示したため、最も注目を集めました。それ以来、シリカフュームの研究開発は進み、コンクリートおよびセメント系製品向けの世界で最も価値が高く、用途の広い混和剤の一つとなりました。
プロパティ
| 財産 | ポートランドセメント | 珪質[ b ] フライアッシュ | 石灰質[ c ] フライアッシュ | スラグセメント | シリカフューム | |
|---|---|---|---|---|---|---|
質量割合（％） | SiO2 | 21.9 | 52 | 35 | 35 | 85～97 |
| アルミニウム | 6.9 | 23 | 18 | 12 | — | |
| Fe 2 O 3 | 3 | 11 | 6 | 1 | — | |
| 酸化カルシウム | 63 | 5 | 21 | 40 | < 1 | |
| 酸化マグネシウム | 2.5 | — | — | — | — | |
| SO 3 | 1.7 | — | — | — | — | |
| 比表面積（m 2 /kg）[ d ] | 370 | 420 | 420 | 400 | 15,000 ～30,000 | |
| 比重 | 3.15 | 2.38 | 2.65 | 2.94 | 2.22 | |
| 汎用 | プライマリバインダー | セメントの代替 | セメントの代替 | セメントの代替 | 不動産強化剤 | |
シリカフュームは、直径1μm未満の球状粒子（平均約0.15μm）からなる超微粒子物質です。これは、平均的なセメント粒子の約100分の1の大きさです。[ 4 ]シリカフュームの嵩密度は、サイロ内の緻密化度に依存し、130（未緻密化）から600 kg/m 3の範囲で変化します。シリカフュームの比重は、一般的に2.2～2.3の範囲です。シリカフュームの比表面積は、BET法または窒素吸着法で測定できます。通常、15,000～30,000 m 2 /kgの範囲です。[ 5 ]
生産
シリカフュームは、シリコンやフェロシリコン合金の製造において、 電気アーク炉で石炭、コークス、木材チップなどの炭素質材料を使用して高純度石英を炭素熱還元する際に生成される副産物です。
アプリケーション
コンクリート
シリカフュームは極めて微細でシリカ含有量が多いため、非常に効果的なポゾラン材料です。[ 6 ] [ 7 ]セメント混合物に使用されるシリカフュームの標準規格はASTM C1240、[ 8 ] EN 13263です。 [ 9 ]
シリカフュームは、ポルトランドセメントコンクリートの特性、特に圧縮強度、付着強度、耐摩耗性を向上させるために添加されます。これらの特性向上は、セメントペースト混合物への非常に微細な粉末の添加による機械的性質の向上と、ペースト中のシリカフュームと遊離水酸化カルシウムとの間のポゾラン反応の両方によってもたらされます。[ 10 ]
シリカフュームを添加すると、コンクリートの塩化物イオン透過性も低下し、特に沿岸地域や、大陸部の湿潤な道路や滑走路（凍結防止剤の使用による）、海水橋など、塩化物に富む環境において、コンクリートの鉄筋を腐食から保護します。[ 11 ]さらに、シリカフュームは石油・ガス事業においても重要な用途があります。シリカフュームは、坑井内の油圧シールとしてグラウトの一次充填に、また、漏水修理、亀裂、枯渇地帯の封鎖などの補修作業などの二次用途にも使用できます。[ 12 ]
1970年代半ば以前は、シリカフュームのほぼすべてが大気中に排出されていました。環境問題への懸念からシリカフュームの回収と埋め立てが必要になった後、シリカフュームを様々な用途、特に高性能コンクリートに使用することが経済的に可能になりました。[ 13 ]シリカフュームが生コンクリートおよび硬化コンクリートの様々な特性に及ぼす影響には、以下のものがあります。
- ワーカビリティ：シリカフュームを添加すると、コンクリート混合物中の表面積が大きくなるため、スランプの経時的な低下はシリカフューム含有量の増加に正比例します。スランプは低下しますが、混合物の凝集性は高いままです。
- 分離とブリーディング：シリカフュームは、シリカフュームの広い表面積を湿潤させる際に自由水が消費されるため、ブリーディングを大幅に低減します。これにより、混合物中に残存するブリーディング用の自由水も減少します。また、シリカフュームは生コンクリートの細孔を塞ぐため、コンクリート内部の水分が表面に出るのを防ぎます。
炭化ケイ素
副産物であるシリカフュームは、シリコンカーバイドの製造に使用されることがあります。
参照
参考文献
- ^ Holland, Terence C. (2005). 「シリカフュームユーザーズマニュアル」(PDF) . シリカフューム協会および米国運輸省連邦道路局技術報告書 FHWA-IF-05-016 . 2014年10月31日閲覧.
- ^ Kosmatka, S.; Kerkhoff, B.; Panerese, W. (2002).コンクリート混合物の設計と管理（第14版）. ポートランドセメント協会, イリノイ州スコーキー.
- ^ウィリアム・ギャンブル著「セメント、モルタル、コンクリート」。バウマイスター、アヴァローネ、バウマイスター編『マークの機械技術者ハンドブック』 （第8版）マグロウヒル社、第6章、177ページ。
- ^ 「第3章 フライアッシュ、スラグ、シリカフューム、天然ポゾラン」（PDF）メンフィス大学。2010年6月29日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2012年5月5日閲覧。
- ^ 「シリカフュームユーザーズマニュアル」（PDF）。シリカフューム協会。
- ^ ACI委員会226. 1987b.「コンクリート中のシリカフューム：予備報告」、 ACIマテリアルジャーナル3月～4月号、158～66ページ。
- ^ Luther, MD 1990. 「高性能シリカフューム（マイクロシリカ）—改質セメント系補修材」第69回運輸研究委員会年次会議論文番号890448（1月）
- ^ ASTM C1240. セメント系混合物に使用されるシリカフュームの標準仕様、 http://astm.org
- ^ EN 13263 コンクリート用シリカフューム。 http://www.cen.eu
- ^ Detwiler, RJおよびMehta, PK、「シリカフュームのコンクリートの機械的挙動に対する化学的および物理的影響」、 Materials Journal 、 1989年11月
- ^レイチェル・J・デトワイラー、クリス・A・ファポフンダ、ジェニファー・ナターレ（1994年1月）。「高温養生コンクリートの塩化物イオン浸透抵抗を高めるための補助セメント材の使用」 Materials Journal。
- ^ 「石油・ガス用シリカフューム | RED Industrial Products」 . RED Industrial . 2023年2月6日閲覧。
- ^ ACI 234R-06. コンクリート中のシリカフュームに関するガイド、アメリカコンクリート協会
さらに読む
- 米国連邦道路管理局. 「シリカフューム」 . 2007年1月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2007年1月24日閲覧。
- ポートランドセメント協会. 「第3章 フライアッシュ、スラグ、シリカフューム、天然ポゾラン」(PDF) . 2010年6月29日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2012年4月7日閲覧。
- シリカフューム協会. 「シリカフュームユーザーズマニュアル」（PDF） . 2012年5月5日閲覧。
外部リンク
