工学における石灰：供給源、組成、製造、実用用途

石灰をセメント材料として使用することは古代から行われてきました。エジプト人とローマ人はこの材料を様々な建設目的で顕著に応用しました。インドでも、大きな宮殿、橋、寺院、要塞、記念碑などの様々な工学構造物が石灰をセメント材料として建設され、その中には現在でも完全に良好な状態で残っているものがあります。

現在ではセメントが石灰を大幅に置き換えています。しかし、石灰が現地で入手可能で、セメントが極度に不足している場所では、石灰はセメントへの安価で信頼できる代替材となり得ます。

石灰の供給源

石灰は自然界に遊離状態で存在することは通常ありません。

以下の材料のいずれかを焼成することで得られます：

(i) 石丘からの石灰岩
(ii) 古い河床からの石灰岩礫
(iii) 地下に見られるカンカル
(iv) 海産動物の貝殻

白亜は純粋な石灰岩であり、カンカルは不純な石灰岩であることに注意してください。

石灰岩の成分

石灰の主供給源は自然から得られる石灰岩であり、石灰の特性はそれを生産した石灰岩の組成に依存します。

このような石灰岩の成分は以下の通りです：

(1) 粘土

この成分は石灰に水硬性を与える役割を果たします。また石灰を水に不溶にします。過剰なら消石反応を阻害し、少量なら消石を遅延させます。良質な石灰を作るには8～30%の割合が望ましいです。

(2) 可溶性シリカ

水硬性を発現させるには、シリカとアルミナが石灰岩と化学的に結合して存在することが不可欠です。カルシウム、マグネシウム、アルミニウムのケイ酸塩が水硬性を担います。これらのケイ酸塩は低温では不活性・不活発ですが、高温では活性化して石灰と結合します。

(3) 炭酸マグネシウム

この成分の存在により石灰はゆっくり消石・硬化しますが、より高い強度を付与します。さらに、発熱と膨張が少なくなります。マグネシア炭酸塩含有量が約30%なら、粘土がなくても石灰に水硬性を付与できます。

(4) アルカリと金属酸化物

これらが約5%以下の少量で存在する場合、低温で可溶性ケイ酸塩を形成することにより水硬性を発現させます。

(5) 硫酸塩

少量の硫酸塩の存在は凝結プロセスを加速し、消石作用を減少させます。

(6) 鉄

少量の鉄が存在する場合、高温で複雑なケイ酸塩を形成します。しかし過剰な鉄は好ましくありません。

(7) 黄鉄鉱

石灰岩組成に黄鉄鉱が含まれるのは望ましくありません。このような石灰岩は拒否すべきです。

石灰の分類

石灰岩の石灰焼成により得られる石灰は、大きく以下の3カテゴリーに分類されます：

(1) 脂肪石灰（富石灰）
(2) 水硬性石灰
(3) 貧石灰（不純石灰）

(1) 脂肪石灰

高カルシウム石灰、純粋石灰、リッチ石灰、白石灰とも呼ばれます。激しく消石し、体積が生石灰の約2～2.5倍に増加するため、一般に脂肪石灰と呼ばれます。

比較的純粋な炭酸カルシウム（酸化カルシウム約95%で構成）を石灰焼成して製造します。このような石灰岩の不純物割合は5%未満です。

脂肪石灰の特性：

(i) 非常にゆっくり硬化する
(ii) 高度な可塑性を持つ
(iii) 頻繁に水を換えると水に溶解する
(iv) 色は完全に白色
(v) 空気中でゆっくり凝結する
(vi) 激しく消石する

脂肪石灰の用途：

(i) 白壁塗りと壁の漆喰に使用
(ii) 砂と混ぜると薄い継ぎ目で凝結する石灰モルタルとなり、レンガ積みと石積みの薄い継ぎ目に使用可能
(iii) 素焼きレンガ粉（スルキ）と混ぜると、良好な凝結性と水硬性を持つ石灰モルタルとなり、厚い積み壁、基礎などに使用可能。スルキは焼成レンガを粉砕して得られる粉末

(2) 水硬性石灰

水中で硬化するため水石灰とも呼ばれます。粘土と少量の酸化第二鉄を含みます。

粘土含有率により以下の3タイプに分類されます：

(i) 弱水硬性石灰
(ii) 中水硬性石灰
(iii) 強水硬性石灰

注意すべき事実：

(i) 粘土割合の増加は消石を困難にし、水硬性を増大させる
(ii) 約30%の粘土で、水硬性石灰は天然セメントに類似する
(iii) 水硬性石灰は水中や、空気自由循環のない厚い壁内で硬化可能
(iv) 水硬性石灰の色は完全な白色ではないため、脂肪石灰より不衛生に見える
(v) 水と薄いペーストを形成する。水を頻繁に換えても溶解しない
(vi) 漆喰工事に水硬性石灰を使用する場合、微粉末に粉砕してから砂と混ぜる。調製したモルタルを1週間ほど堆積させ、再度粉砕する。このモルタルを漆喰工事に使用可能
表5-1にこれらの水硬性石灰タイプ間の比較点を示します。

(3) 貧石灰

不純石灰またはリーン石灰とも呼ばれます。粘土を30%以上含みます。消石が非常に遅く、水と薄いペーストを形成します。水を頻繁に換えても溶解しません。凝結・硬化が非常に遅く、結合特性が劣り、色は泥白色です。非常に劣ったモルタルとなり、劣等工事や良質石灰が入手できない場所で使用されます。

ISによる石灰分類

BIS:712-1984（第3版改正）による建築用石灰は、クラスA、B、C、D、E、Fの6カテゴリーに分類されます。

(1) クラスA

強水硬性石灰で構造用に使用し、消石石灰形態のみで供給されます。重量比1:3の石灰砂モルタルでの最小圧縮強度は、14日と28日でそれぞれ1.75N/mm²と2.80N/mm²である必要があります。

(2) クラスB

半水硬性石灰で積み上げモルタル用に使用し、生石灰または消石石灰のいずれかで供給可能。重量比1:3の石灰砂モルタルでの最小圧縮強度は、14日と28日でそれぞれ1.25N/mm²と1.75N/mm²である必要があります。

(3) クラスC

脂肪石灰で、主に漆喰仕上げ塗り、白壁塗り、およびスルキや他の火山灰材料などの適切な混和材と組み合わせて人工水硬性モルタル製造に使用。消石または生石灰形態で供給。

(4) クラスD

マグネシウムまたはドロマイト石灰で、漆喰仕上げ塗り、白壁塗り等に使用。消石または生石灰形態で供給。

(5) クラスE

カンカル石灰で、積み上げモルタル用に使用し、消石石灰形態のみで供給。

(6) クラスF

珪質ドロマイト石灰で、漆喰下塗りと仕上げ塗りに使用。消石または生石灰形態で供給。

各種石灰の用途は示唆的なものであることに注意してください。各カテゴリーの石灰が満たすべき化学的・物理的要求事項と試験方法は、上記BISおよびBIS:6932-1973に規定されています。

天然水硬性石灰の製造

天然水硬性石灰の製造には以下の3つの明確な操作が関わります：

(1) カンカルの採取
(2) カンカルの石灰焼成
(3) 焼成石灰の消石と粉砕

(1) カンカルの採取

カンカルは不純な石灰岩で、天然水硬性石灰製造に使用されます。カンカルは結節とブロックの2形態で入手可能です。結節は地表または地表直下で見つかります。

カンカル結節が天然水硬性石灰製造の優良材料と見なされる理由：

(i) 熱と雨に耐え、崩壊しない
(ii) 粘土含有率が高く、より良好な水硬性を持つ

カンカルブロックは地下層から、河川や流れの岸辺付近で見つかります。ブロック厚は通常50～300mmです。カンカル結節またはブロックはツルハシとバールで採掘し、泥や土を除去して適切なサイズに加工します。

(2) カンカルの石灰焼成

カンカルを明るい赤熱まで焼成する石灰焼成は、脂肪石灰の場合と同様にクランプまたは窯で行います。

(3) 焼成石灰の消石と粉砕

水硬性石灰の消石は非常に遅く進行します。したがって、生石灰をまず乾式粉砕してから水を加えて消石させます。

生石灰の粉砕は以下の方法で実施可能：

(i) 木製ビーターを用いた手作業
(ii) 牛または蒸気動力で作動するミル
(iii) 特殊機械

脂肪石灰と水硬性石灰の消石における相違点：

(i) 脂肪石灰では消石に必要な水量を一度に添加する。水硬性石灰では完全な消石のために水を徐々に添加する
(ii) 脂肪生石灰1部を消石すると、ペースト形で約1.5部、粉末形で約2部になる。水硬性生石灰1部を消石すると、ペースト形で約1部、粉末形で約1.5部になる
(iii) 脂肪石灰の消石に必要な水量は水硬性石灰より多い
(iv) 脂肪石灰の消石時間は約3～4時間、水硬性石灰は約12～48時間

人工水硬性石灰の製造

天然原料が水硬性石灰製造に不適な場合、人工的に水硬性石灰を製造可能です。実際、脂肪石灰に必要割合の粘土を添加することで水硬性石灰に変換できます。

人工水硬性石灰製造には以下の2方法があります：

(1) 軟質石灰岩の転換
(2) 硬質石灰岩の転換

(1) 軟質石灰岩の転換

チョークのような軟質石灰岩の場合、粉砕して粉末状にし、必要割合の粘土と混合。窯で焼成し、天然水硬性石灰の場合と同様に消石を行います。

(2) 硬質石灰岩の転換

硬質石灰岩の場合、まず焼成して消石します。この消石石灰に必要割合の粘土を添加し、良質な水硬性石灰の原料を得ます。この混合物を適切な大きさのボールに成形し、乾燥後、窯で焼成します。消石は天然水硬性石灰の場合と同様に行います。この石灰は窯で2回焼成されるため、二度窯石灰とも呼ばれます。

石灰取り扱い時の注意事項

事故防止のため、石灰取り扱い時には以下の注意が必要です：

(1) 水との接触

生石灰を消石前に水と接触させてはなりません。

(2) 作業員の保護具

石灰粉塵は刺激性があるため、石灰を扱う作業員にはゴーグルと防塵マスクを提供すべきです。石灰は特に湿った皮膚に火傷を引き起こすため、皮膚火傷の恐れがある作業員にはゴム手袋、長靴、皮膚保護クリームを提供することが望ましいです。

(3) 火災危険

生石灰は消石時に多大な熱を発生するため、火災危険を避けるための適切な措置を講じる必要があります。

(4) 作業員への指示

石灰取り扱い後、作業員には露出部位を大量の真水で洗うよう指示すべきです。同様に、熱い石灰乳を扱う作業員には、毎日皮膚に油を塗って火傷を防ぐよう指導すべきです。

石灰の用途

石灰は重要な工学材料であり、その用途は以下の通りです：

(i) 水質浄化と下水処理における化学原料
(ii) 冶金工業における溶剤
(iii) コンクリートとモルタルのマトリックス
(iv) 平炉内張り用耐火材料
(v) ガラス製造
(vi) 積み上げ工事用モルタル製造
(vii) 壁と天井の漆喰
(viii) 人工石、石灰砂レンガ、発泡ケイ酸塩製品等の製造
(ix) 地盤安定化と農業用土壌改良
(x) 白壁塗りとテンペラ下地塗り
(xi) ポルトランドセメントと混合するとモルタルが貴重な特性を得、高価なセメントモルタルの代替として使用可能

石灰岩の試験

石灰岩は、それから得られる石灰の品質を判定するために試験されます。石灰岩の適性を正確に判定するには、実験室で詳細な化学試験を実施します。

一般的な情報として、以下の4つの実用試験が行われます：

(1) 物理的特性
(2) 加熱試験
(3) 酸試験
(4) ボール試験

(1) 物理的特性

純粋な石灰岩は白色で示されます。水硬性石灰岩は青灰色、褐色、または何らかの暗色で示されます。水硬性石灰岩の味は粘土質で、土の臭いがします。石灰岩表面の光沢粒子は遊離砂の存在を示します。塊の存在は生石灰または未焼成石灰岩の存在を示唆します。

(2) 加熱試験

乾燥石灰岩片を秤量し、数時間明火で加熱します。再度秤量し、減量から二酸化炭素量を求めます。このデータから石灰岩中の炭酸カルシウム量を算出します。

(3) 酸試験

粉末石灰小さじ1杯を試験管に取り、希塩酸を注ぎます。内容物を撹拌し、試験管をスタンドに立てて24時間放置します。

炭酸カルシウム含有量が高い場合、激しい発泡と少ない残渣生成が見られ、純粋な石灰岩を示します。逆に炭酸カルシウム含有量が低い場合、発泡が少なく残渣生成が多く、不純または水硬性石灰岩を示します。

濃厚なゲルまたは半固体物質が形成され、試験管を逆さまにしても流れない場合はクラスA石灰を示します。ゲルがそれほど濃厚でなく、試験管を傾けると流れる傾向がある場合はクラスB石灰を示します。ゲル形成が全くない場合はクラスC石灰を示します。

(4) ボール試験

この試験では、十分な水を加えて形成した約40mm径の硬い石灰ボールを作り、6時間放置します。ボールを水の入った容器に入れます。水中に入れて数分以内に緩やかな膨張と緩やかな崩壊の兆候があればクラスC石灰を示します。逆に、ほとんど膨張せず多数の亀裂が生じる場合はクラスB石灰を示します。