JPS6050740B2 - セメント組成物及びその施工法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、セメント組成物およびその施工法に関する。

ボルトランドセメントは、常法的には、石灰石、粘土お
よび（または）他の物質を粉砕して微細粉とし、完全に
混合し、次いで混合物を長い回転キルン中で焼成するこ
とにより製造されている。１６７１℃の温度に近いキル
ンの加熱帯において、混合物は焼結、溶融されてクリン
カーと称される団塊になり、これを粉砕して微細粉とし
ている。

しかしながら、低コストで高容量のボルトランドセメン
トを作るには、多量の燃料が必要であり、すべてエネル
ギー消費工業と同様に燃料それ自体が欠乏し始めている
ため、上記のような方法でボルトランドセメントを作る
のは困難となりつつある。従つて、低エネルギー消費の
セメントの出現が必要となつている。石炭等の燃料が少
なくなりつつあるため高エネルギー燃料が必要となり、
地熱エネルギーや非常に深い地溝にある石油ガスを回収
し、これらを遊離されることが試みられてる。

また、核分裂を利用する装置が高収量でエネルギーを得
る方法として提案されている。しかし、地下に固有の高
温と核により付加された熱とを組み合せて、井戸の壁や
パイプを補強したり、パイプを壁に所望の配置で取り付
けて地上のパイプと弁集合体とに連結しようとすると、
セメントの安定性が悪くなるという重大な欠陥が生ずる
。これら井戸の熱プロフィルを規定する高熱の温度勾配
は、セメントと鉄管との間の種々のストレス源となる。
セメントに比較して金属の熱膨脹係数は５〜５０対１と
高いたＪめ、セメントの結合力が十分でない場合には、
接着性が悪くなる。通常のボルトランドセメントは、１
４９℃およびそれ以上の温度でその接着強度を迅速に失
ない、最適の温度条件においてのみ限界強度を有するだ
けである。例えば、ボルトラン丁ドセメントと通常の鋼
鉄補強のロッドとの剪断力は平均５００ｐｓｉであるが
、ボルトランドセメントと通常の加工鋼鉄との剪断力は
わずか５０ｐＳｉである。熱劣化により応力がかかると
、ボルトランドセメントは上記のような井戸内にバイブ
を固定するのには役に立たないものとなる。従つて、上
記用途に使用するのに必要な程度の接着性と高剪断力を
有する高強度のセメントが出現することが要望されてい
る。通常のオイルとガスの井戸を掘る際には、バイブを
セメントで接合して、バイブを井戸内に固定するととも
に、水と井戸内のオイル、ガス発生帯とを接触させない
ようにしている。

上記のような井戸にセメントを施工する代表的操作法は
、ボルトランドセメント組成物を井戸の所定位置で混合
し、セメントをバイブ中を下方向にポンプ給送し、次い
で井戸とバイブの間を外方向かつ上方向にポンプ給送す
ることからなる。通常、ポンプを破壊しないようにする
には、複数個の高圧ポンプとバイブ系が必要である。ポ
ンプが故障した際には、セメントは実質上直後に固化し
硬化してしまうので、井戸は再使用不能となり、再使用
可能とするためには高価な掘穴操作が必要となる。かく
の如く、時間の経過、或いはセメントを井戸内の所定の
温度条件に付すか、または両者による以外にはセメント
が硬化しないように維持しつつ、バイブを井戸内に固定
できるセメントの施工法の出現が要望されている。改良
されたセメント組成物およびその施工法は、米国特許 １，３１８，０７６，１，８５２，６７２，２，０４２
，．０１１，２，２３８，９３０，２，２７９，２６２
，２，３０２，９１３，２，５０２，４１８，２，５８
６，８１４，２，６６５，９９６，２，６８２，０９２
，２，７０１，２０９，２，８０５，７１９，２，８８
３，７２３，２，８９５，８３８，３，１４６，８２８
，３，１８０，７４８， ３，２０８，５２３，３，２
４４，２３０，３，２５３，６６４，３，３１７，６４
３，３，３２６，２６９，３，６，１６３，３，３７４
，８３４，３，４３５，８９９，３，５８１，８２５，
Ｗ．Ｋ．Ｇ０ｄｆｒｅｙにょり１９６８年１１月発行の
ＪＯｕｒｒｌａｌＯｆＰｅｔｒＯｌｅｕｒｎＴｅｃｈｎ
ＯｌＯｇｙｌ３Ｏｌ〜１３１４頁の１Ｅｆｆｅｃｔ０ｆ
ＪｅｔＰｅｒｆ０ｒａｔｊｎｇ０ｎＢ０ｎｄＳｔｒｅｎ
ｇｔｈ０ｆＣｅｍｅｎｔ．Ｊに記載されており、特に詳
細な記載が米国特許１，８５２，６７２，２，６０５，
９９６，３，１４６，８２８，３，３２６，２６９およ
び３，７３６，１６３にある。

米国特許１，８５２，６７２には、活性粘土物質と酸フ
化カルシウム、酸化マグネシウム等のアルカリ土類酸化
物とからなるシリカセメントが記載されている。また、
米国特許３，３２６，２６９には、コロイド状シリカと
種々のコロイド状多価金属水酸化物との混合物を高温で
焼成して遊離シリカを固定する方法が記載されている。
更に、米国特許３，１４６，８２８には、熱を利用して
、高くても１５４６ｐＳｉ程度の通常の低強度のシリカ
と高有孔性ケイ酸塩とからなる強靭な鉱物物質の製造方
法が記載されている。

この特許は、井戸の施工物内に透過性構造物の強固な境
界を形成するような物質を使用することを教示しており
、その目的は施工物の破壊を助け、流体を連続的に回収
することである。結合物質もしくはセメント化物質はケ
イ酸ナトリウムであり、水に対する感受性を減少させる
ために、０．５〜２．０重量部の酸化亜鉛を安定剤とし
て加えている。この特許には多量の酸化亜鉛を使用する
と好ましくないと記載されており、またケイ酸ナトリウ
ム溶液を、結合剤として作用する有孔フィルムが生ずる
ような反応速度で熱的に脱水している。上記反応速度は
８０゜Ｃの最低温度で示される。米国特許３，１４６，
８２８のセメントは、水蒸気に敏感な製品で、湿度の低
い条件下では安定であるが、１００％の相対湿度におい
ては８０℃で２橋間以内に軟化し、劣化することが判明
している。この特許の第５欄第１〜６桁に記載のような
処方物を調製し、これを１００％相対湿度、７９．４℃
の密閉オートクレーブ中で５日間硬化すると、試料を脱
水させない限りは、可塑性の強靭でない製品が生ずる。
蒸発させると、セメントは硬化がする。このような処方
物を井戸内に仕込むと、水蒸気がセメントから移行し、
硬化が生ずる。処方物が堅いか、セメントが非有孔鋼鉄
管に仕込まれた場合には、セメントは堅くは硬化せず、
米国特許３，１４６，８２８の発明に必須の有孔性は達
成されない。このように、米国特許３，１４６，８２８
に記載の処方物は欠点を有するものである。米国特許２
，６６５，９９６には、２３２．０℃以上温度で不安定
であるとともに、室温でも高温でも反応する水和ケイ酸
カルシウム結晶性製品が記載されている。

更に、この特許に記載のセメントは、鋼鉄に対する接着
性を有していない。米国特許３，７３６，１６３には、
ケイ酸カルシウムと鉱物ウール型の繊維とが結合した軽
量の耐熱性製品が記載されており、この製品は使用時に
部分的に鉱物化する。

この特許に記載の製品を２０４℃、２００ｐＳｊ蒸気の
オートクレーブ中で３時間硬化させ、次いて乾燥させる
と、金属には無視して良い程度にしか接着しない製品し
か得られず、この製品の主成分は使用開始直後にはじめ
だけ部分的に脱水するケイ酸二カルシウムの結晶性水和
物である。米国特許３，７３６，１６３に記載の製品は
、小さな破壊や歪みが繊維充填材によりなくなつている
ため、応力がかからなくなつているので、６４９０Ｃ以
下の温度に耐えるものである。水７２０ガロン、石灰８
７５ボンド、非焼成ケイソウ土７５０ボンド、無水ケイ
酸ナトリウム１５０ボンド、砂７ボンド、団塊状の鉱物
ウール６０ボンド、亜硫酸バルブ繊維６０ボンド、粘土
５０ボンドからなる上記特許の組成物をオートクレーブ
中て処理すると、結晶性ケイ酸カルシウムの混合物から
なる製品が得られることがＸ線分析により同定された。
そして、この特許の組成物には多量の水が混入している
。上記のように、従来の技術は一長一短のものて、活性
化温度以下の温度においては長期間可動性もしくはポン
プ給送性を保持でき、所定の条件下て硬化してバイブを
井戸内に固定させることができ、重複したポンプ給送装
置や循環装置を必要とせす、更に最小量の水しか使用し
なくとも物理的性質、機械的性質、化学的性質がすべて
良好てあるセメント組成物は得られておらす、上記のす
べての要件を満たすセメント組成物の出現が望まれてい
たのである。本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
、その目的とするところは、硬化が開始する活性化温度
以下の温度においては長期間可動またはポンプ給送性を
保持する混合物からなる、水熱的に（ＨｙｄｒＯｔｈｅ
ｒｍａｌｌｙ）開始する固化に特徴のあるセメント組成
物を提供することある。

本発明の他の目的は、多価金属とシリカとを所定の水分
、高温条件下に反応させて得られ高分子量の無機重合体
からなるセメント組成物を提供することにある。

本発明の他の目的は多価金属塩、水および熱の適用時に
多価金属塩と結合するとともに所定の温度、時間の条件
下で水和し得るシリカ源からなる混合物よりなる水熱セ
メント組成物を提供することにある。

本発明の他の目的は、上記セメント組成物を一連のバイ
ブが挿入された井戸内に供給し、次いで井戸の熱により
上記セメント組成物を硬化させて、上記バイブを井戸内
に固定することからなるセメントの施工法を提供するこ
とにある。

本発明の他の目的は、装置の破壊によつては井戸内のセ
メントの硬化は生じない故に、重複のポンプ給送装置や
循環装置が必要でない方法を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、セメントを現場以外の場所で
混合し、現場に移送することができるとともに、ボルト
ランドセメントに比して長期間使用前に硬化させすに保
持できる方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、セメント形成反応体含有のスラリ
ーの作動性を得るのに必要な水量を最小限にする試薬を
含有するセメント組成分であつて、硬化セメントの物性
、機械的性質、化学的性質を最適のものとするセメント
組成物を提供する゛ことにある。

本発明のなお他の目的は、高い機械的強度、耐薬品性、
耐摩耗性を有し、長期間の強熱にも耐性であるとともに
熱サイクルにも耐性であるコーティング、結合剤または
建造製品を提供することにある。

本発明のなお他の目的は、一対のポンプとそれに付随す
る装置が取り付けられているセメント施工装置を必要と
せずに、所望の時間前にはセメントの硬化の危険を生ぜ
すに、バイブを井戸内に固・定てきるセメント組成物お
よびその施工法を提供することにある。

本発明は、硬化が開始する活性化温度以下の温度におい
ては可動性、ポンプ給送性を保持するセメント混合物か
らなる水熱開始反応で硬化する、すなわち水熱的に硬化
が開始するセメント組成物に関する。

更に、本発明は、通常の時間経過または高温にさらすこ
と或いはそれら両者による硬化し得る高強度のセメント
組成物、および硬化時に安定で高温の井戸を地中に作る
際に特に好適であるとともにエネルギーや燃料を最小限
にすることのできるセメント組成物、並びに上記水熱性
セメント組成物を使用して、バイブを井戸内に固定する
セメントの施工法に係わる。以下、本発明を更に詳細に
説明する。

本発明のセメント組成物は、 （ａ）酸化亜鉛、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウ
ムからなる群より選ばれたすくなくとも一つの低溶解性
化合物を約５〜１５重量部と、（ｂ）熱により上記（ａ
）成分と化学結合するとともに所定の条件下に水和し得
るシリカ細粉、シリカ砂からなる群より運ばれたすくな
くとも一つのシリカ源を約６０〜１０唾量部と、（ｃ）
水量減少剤として噴霧乾燥ケイ酸ナトリウム水和物もし
くは水酸化ナトリウムを約５〜１５重量部とおよび（ｄ
）上記（ａ），（ｂ），（ｃ）成分の総計１００重量部
当り約１５〜加重量部の水とからなることを特徴とする
セメント組成物からなる。

本発明セメント組成物の（ａ）成分である多価金属イオ
ン源の反応体は、多価金属酸化物その水酸化物、低溶解
度の塩、それらの混合物である。

使用可能な多価金属酸化物、その水酸化物、塩は、例え
ば酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化鉄、酸化アルミニ
ウム、酸化マンガン、酸化チタン、酸化ジルコニウム、
酸化バナジウム、酸化ハフニウム、水酸化アルミニウム
、炭酸亜鉛、炭酸マグネシウム、リン酸カルシウム、リ
ン酸マグネシウム、リン酸アルミニウムまたはそれらの
混合物である。また、本発明に使用される（ｂ）成分の
シリカ源は、粘土、シリカ細粉、シリカ砂またはそれら
の混合物てある。

更に、本発明に使用される（Ｃ）成分の水量減少剤は、
例えば噴霧乾燥ケイ酸ナトリウム水和物粉末てある。ま
た、ケイ酸ナトリウムの、先駆体として水酸化ナトリウ
ムを使用することもできる。セメントを硬化させる等の
ために水を添加する。次に、本発明の組成物に使用され
る諸成分の配合量につき説明する。

多価金属イオン源の量は約５０〜１５重量部で、好まし
くは７重量部である。

また、熱の適用時に多価金属イオン源の（ａ）成分と化
学結合するとともに、所定の温度、時間条件下に水和し
得るシリカ源の量は約６０〜１０呼量部で、好ましくは
シリカ源は砂約５唾量部、シリカ細粉約２５重量部、無
水ケイ酸ナトリウム粉末約１睡量部からなる。またシリ
カ源は砂約４０〜６唾量部、シリカ細粉約２０〜ノ４唾
量部からなつていても良い。更に、フライアッシュ約２
５重量部以下を含有することもできる。また、水量減少
剤、例えば噴霧乾燥水和ケイ酸ナトリウム粉末の量は約
５〜１５重量部好ましくは約１鍾量部である。また、ケ
イ酸ナトリウム先駆・体としての水酸化ナトリウム約１
〜１喧量部好ましくは約５重量部を使用することもでき
る。更に、水の量は上記（ａ），（ｂ），（ｃ）成分の
総計１（４）重量部当たり約１５〜２唾量部、好ましふ
は約１踵量部である。次に、本発明のセメント組成物の
調製方法につき説明する。

本発明のセメント組成物は、低溶解度の多価金属塩、そ
の酸化物、水酸化物またはそれらの混合物の多価金属イ
オン源、粘土、シリカ細粉、シリカ砂のシリカ源、ケイ
酸ナトリウムまたはそれらの均等物を乾式て配合して調
製される。

噴霧乾燥水和ケイ酸ナトリウム粉末からなる水量減少剤
が、系の流動化に必要な水量を減少させるのに使用され
る。配合もしくは混合工程を空気と水のない密閉容器内
で行い、水分により固まることを防止するとともに、空
気中の二酸化炭素によりケイ酸塩を炭酸化させるのを阻
止するのが好ましい。次いて、乾燥物質の配合物を必要
最小量の水でスラリー化させる。水の添加が遅くなりす
ぎると、特に湿潤条件では粉末状混合物がケーキ化して
しまい、分散させ、水和させるのが困難となる。水と固
体との混合物の粘稠性は水の添加後１吟以内に著しく変
化し、粘土が急激に減少して、湿潤ケーキが薄いポンプ
給送可能なスラリーなる。このことは、水和ケイ酸ナト
リウムの溶解により起こるのである。スラリーの粘度は
、１〜２重量％程度の比較的少量の水を添加すると、急
激に変化する。シリカと金属酸化物、その水酸化物また
はその塩との反応により多価ケイ酸塩を形成するには、
酸基性成分との化学結合を促進するのに熱と水分とが必
要てある。

水性スラリー中の多価金属酸化物、その水酸化物、その
塩とシリカ細粉、アルカリ金属ケイ酸塩に熱を適用する
と、多価金属酸化．物、水酸化物または塩がシリカゲル
と結合して、それぞれのケイ酸塩が形成される。シリカ
細粉またはアリカリ金属ケイ酸塩は、金属酸化物と反応
してケイ酸塩とアルカリ金属酸化物または水酸化物を形
成する試薬として作用する。アルカリ性副，生成物は除
く砂、シリカ細粉のシリカと反応し、生成物質は反応性
ケイ酸ナトリウムを発生する。上記サイクルは、多価金
属がなくなるか、水が蒸発するか、すべてのシリカがな
くなるか、利用されなくなる状態になるまで行われる。
なお、本明細書に使用される水熱セメント（ＨｙｄｒＯ
市Ｅｒｍａｌｃｅｍｅｎｔ）とは、抵溶解度の金属酸化
物、その水酸化物、その塩とシリカとを反応させること
により、多価ケイ酸塩が形成されることによつて、標準
大気圧と温度条件以上の条件下−に高度の機械的強度を
有するセメントのことである。

また、本明細書に使用される開始温度、活性化温度なる
用語は、前記の反応が開始する最低の温度てあり、上記
物質が物理的混合物である温度以下の温度を意味するも
のてある。本発明の熱水セメントの開始温度は多価金属
イオンの種類や使用されるケイ酸ナトリウム中のＳｌＯ
２／Ｎａ２Ｏの比率に従つて変化するのが有利である。
従つて、本発明のセメントは、活性化反応が起こるのに
十分な程度に高い温度にさらされない限り、通常の時間
経過だけでは硬化しない。本発明のセメント組成物は上
記の特徴を有しているため、井戸内に鋳込むのに適して
い，る。

本発明のセメント組成物は高強度を有するとともに、多
くの他の用途に良く適したものである。上記のように、
本発明のセメント組成物は多くの用途に使用できるもの
であるが、以下においてはセメントを使用してバイブを
井戸内に固定する場合につき説明する。

上記のような組成を有するセメント組成物を一連のバイ
ブが挿入された井戸内に供給し、次いで井戸の熱により
上記セメント組成物を硬化させて、上記バイブを井戸内
に固定することにより、セメントを施工する。本発明の
組成物は水熱反応した製品で、室温では不活性で非反応
性であるが、高温では反応性があり、活性化温度以下の
温度ては長期間可動性でポンプ給送可能である。

更に、本発明の製品は、硬化して耐熱性固形物となり、
鋼鉄に対する接着強度は高く、耐酸性であり、無定形、
重合体状、非結晶性であるとともに無水の固形物である
。本発明の組成物は、最少量の水しか有しておらず、例
えば米国特許３，７３６，１６詩の組成物とは全く異な
るものである。本発明の製品の如く最少量の水しか存在
していないと、反応が生じて非結晶、無水の固形重合体
が形成され、高温に対しても耐熱性である製品が得られ
、従つて応力をなくすために必要であつた繊維等が不要
となる。種々の多価金属イオン源を使用する処方物の実
施例は次のとおりである。ここでは他の方法で示された
ところ以外は、粒度は標準ＡＳＴＭＥＨ分析により定め
られたメッシュより小さい。実施例１ 重量部 最適量
使用可能な範囲砂（２０〜６
０メッシュ） ４０〜６０５０シリカ粉末（
３２５メッシュ） ２０〜４０２５Ｓ１０２／Ｎ
ａ２Ｏが２．４／１の噴霧乾燥水和ケイ酸ナトリウム粉
末（３２５メッシュ） ５〜１５
１０重量部 最適量 使
用可能な範囲ＳｌＯ２／Ｎａ２Ｏが３．２２／１の無水
ケイ酸ナトリウノ ム粉末（３２５メッシュ）
５〜１５１０フライアッシュ Ｏ〜２
５０酸化亜鉛（１ミクロン以下） ５〜１５７水
１５〜２０）ｌ（１７）ｌ（※
水の量は固形物１００重量部当たりの量であ５ る。

（“゜ｐｈｐｔｓ゛）以下実施例においても同様である
。好ましい処方物を使用すると、セメントは６６゜Ｃの
活性化温度て活性化し始め、この温度ては２４時間で堅
固に固まる。

９３゜Ｆては著しい硬化が２４時間θたたぬうちに達せ
られる。

約１週間でセメントは９３゜Ｃにおいて４００ＰＳ１の
圧縮強度と１３００ｐＳ１の剪断力を有するものとなる
。硬化セメントは、物理的強度に悪影響を与えることな
く１０９３゜Ｃに至るまての温度に耐えうる。後述の実
施例と同様この実施例においても圧縮強度をＡＳＴＭＣ
ｌＯ９−５４Ｔにより測定しまた、前剪断力または接着
強度を石油産業で常法的に用いられる測定法により測定
する。それは金属柱とコンクリート柱との間の結合力を
置換又は分裂するのに必要とされる単位面積当たりの力
を測定することからなる。実施例２ 重量部 最適量
使用可能な範囲砂
４０〜６０５０シリカ粉末
２０〜４０２５Ｓ１０２／Ｎａ２Ｏが２
．４／１の噴霧乾燥水和ケイ酸ナトリウム粉末
５〜１５１０ケイ酸ナトリウム粉末ＳｊＯ
２／Ｎａ２Ｏが３．２２／１の無水ケイ酸ナトリウム粉
末 ５〜１５１０水酸化アルミニウム（ＮａＡｌ２
＋ＮＦＩ４ＯＨより生する試薬級） ５
〜２０７水 １５〜２０
１（１７水この処方物は６３℃以下ていつでも安定であ
るが、９３℃において急速に粘稠になり始める。

実際の硬化は７４゜Ｃ以下では観察されないが、硬化特
性が観察てきる程度の速度て変化する好ましい活性化温
度は９３゜Ｃである。９３すＣで２週間硬化させると、
２０００ＰＳ１以上の圧縮強度となる。

３０００ｐＳｉ以上の圧縮強度は９３゜Ｃにおいて４週
過て得られる。

ほ，ほ４０００ＰＳ１の圧縮強度は同温度て５〜６週間
て得られる。１４９゜Ｃでは４７０ｐＳｊ程度の強度が
２週間で得られる。

このセメントは１３００ｐＳｉの剪断力を有しており物
理的強度に悪影響を与えることなく、５３８゜Ｃに至る
までの温度に耐える。実施例３ 重量部 最適量
使用可能な範囲砂
４０〜６０５０シリカ粉末
２０〜４０２５５Ｓ１０２／Ｎａ２Ｏが
３．２２／１の無水ケイ酸ナトリウム粉末
２〜１５１０Ｓ１０２／Ｎａ２Ｏが２．４
／１の噴霧乾燥水和ケイ酸ナトリウム粉末
５〜１５１０ケイ酸ナトリウム粉末水酸化アルミ
ニウム４（ＮａＡｌ２Ｏ３＋水蒸気よりの市販級）
５〜１５７水
１５〜２０）ｌ（１７＊１０７℃程度の
活性化温度で約ｎ時間で３７００ｐＳｉの強度を有する
セメントが得られる。

実施例４ 重量部 最適量
使用可能な範囲砂
４０〜６０５０シリカ粉末
２０〜４０２５Ｓ１０２／Ｎａ２Ｏが３．２
２／１の無水ケイ酸ナトリウム粉末
５〜１５１０Ｓ１０２／Ｎａ２Ｏが２．４／１の
噴霧乾燥水和ケイ酸ナトリウム粉末
５〜１５１０ケイ酸ナトリウム粉未焼成または再水和
されたＡＩ２Ｏ３５〜１５７水
１５〜２０＊１７＊この処方物では１０７℃が観測
しうるもつと低い実際の活性化温度であつた。

２週間より短い期間で硬化が実質上完了するため、１４
９℃の温度が好ましい。

３７００ｐＳ１の強度は１４９゜Ｃの活性化温度で約７
満間て得られる。

実施例５ 重量部 最適量
使用可能な範囲砂
４０〜６０５０シリカ粉末
２０〜４０２５Ｓ１０２／Ｎａ２Ｏが７．５
／１の無水ケイ酸ナトリウム粉末
５〜１５１０Ｓ１０２／Ｎａ２Ｏが２．４／１の
噴霧乾燥水和ケイ酸ナトリウム粉末
５〜１５１０酸化亜鉛 ５〜１５
７水 １５〜２０＊ ７＊ＳｌＯ
２／Ｎａ２Ｏの比が３．２２／１のものの代わりに、７
．５／１ケイ酸ナトリウムを用いると、活性温度は６６
゜Ｃから３８゜Ｃに低下する。

その組成の圧縮強度は３８℃、７日後には３６００ｐＳ
１となる。よりアルカリ性のケイ酸ナトリウムが用いら
れる場合（３／１の比および以下、すなわち２／１又は
２．４／１のみ）は６６℃で５日後たつても硬化しない
。ＳｌＯ２／Ｎａ２Ｏ２．４／１のケイ酸塩はセメント
の混合操作中に流動化剤もしくは粘度向上添加剤として
作用する。よりアルカリ性のケイ酸塩の場合は反応させ
硬化させるのにより高い温度及び／または長い時間を必
要とする。実施例６ 実施例１〜５の処方物を使用する。

無水または水和ケイ酸ナトリウムの代わりに１〜１鍾量
部の水酸化ナトリウムを使用する。５重量部の水酸化ナ
トリウムを使用するのが好ましい。

このように置換しても、各実施例に示された化学的性質
、物理的性質は余り変化しないが、各処方物の反応性は
或る程度変化する。前述したように、本発明のセメント
組成物には他の多価金属酸化物、水酸化物あるいは塩も
使用できる。

例えば酸化マグネシウム、酸化鉄、酸化アルミニウム、
酸化マンガン、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化バ
ナジウム、酸化ハフニウム、炭酸亜鉛又は炭酸マグネシ
ウム、リン酸マグネシウム又はリン酸アルミニウムが使
用可能である。実施例１〜６に示される多価金属化合物
をこれらのもので置き換えた場合、その濃度は実施例に
記載の多価金属化合物の当量（重量）に匹敵する相対当
量に比例させる。これらの処方物にケイ酸ナトリウムを
含有させることは必要不可欠なことではないが、好まし
いことである。

ケイ酸ナトリウムは高エネルギーを消費する工法によつ
て生産される。そして、この性質を有した原料の含有量
を最小にするために、ケイ酸塩をこのセメント系におい
て水酸化ナトリウムと有効なシリカとの反応によつて生
じさせることが可能である。種々の粘土、砂及び粉砕砂
がこの目的に適するシリカ源となる。ボルトランドセメ
ント、コンクリート及びモルタルで常法的に使用される
洗砂を本発明のセメント処方物にも使用できる。

この砂はセメントの強度にはほとんど影響を与えないが
セメント混合物の価格、流動性及び嵩高係数には影響を
与える。シリカ粉末は粘土含量の少ないものであるべき
で、用いられる割合によつて時間に対する硬化材料の流
動性及び強度が決まる。すなわち、シリカ細粉が多く使
用されると、硬化する前には流動性が少ないセメント混
合物となるが、所定の期間で硬化した後はより大きな強
度を生ずる。使用されケア酸塩に関しては、すべての反
応が終了した後に遊離水が生じないようにいくぶんかの
無水ケイ酸塩を使用するのが便利である。

この性質のケイ酸塩をより多く使用すると硬化が速くな
る。ケイ酸ナトリウムのＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏの比は反応
速度を制御する因子である。シリカの等級（ＳｉＯ２比
が高い）が高い場合はアルカリ等級が高い時よりすみや
かにかつ低温度で反応する。ＳｉＯ２／Ｎａ２Ｏ比が狭
い範囲のアルカリ金属ケイ酸塩溶液を常法的に噴霧乾燥
することにより好ましくは生産される水和アルカリ金属
ケイ酸塩粉末は、意外にもごく少量の水で高い流動性の
スラリーを生ずることが判明している。この特徴のため
、特異な物理的、化学的機械的特性が得られる。大部分
の無機セメント系の化学的硬化に必要な水量は最終生成
物の特性を決めるものてある。硬化製品に過剰もしくは
残留の水があつて、これが蒸発して弱い箇所や細孔から
はなれると、損傷が生じ、異物が混入し、強度が低下す
る等の欠点が生ずる。ボルトランドセメント等のすべて
の水硬セメントの場合には水和水やトラップ水があるが
、これらの水は製品の耐熱性を悪くするものである。本
発明の新規セメントにおいてはわすか１５〜２０％の水
分しか使用していないため、他の場合よりも高度の本透
過性と高度の機械的強度を有するセメントが得られる。
水を添加すると、水和アルカリ金属ケイ酸塩粉末の部分
的溶液が生じ、これが溶解する際にスラリー中に部分的
荷電が生じることによりコロイド状電解質が放出され、
系が流動化し、高度の潤滑性が得られ、電解質のないス
ラリーがわずかに湿潤した粉末となる。水を添加し、乾
燥粉末と配合した直後には、液化は生じない。ほとんど
或いは何も攪拌しなくとも約２分後には、湿潤塊は突然
液体になり高度の流動状態となり、容易に注入し、ポン
プ給送し、押出しできるようになる。次いで、このスラ
リーに適当なベントナイト製品を添加することにより、
このスラリーをチキソトロピーを有するものに変えるこ
とができる。本発明のセメント組成物に使用さる水とし
て、通常のコンクリートやモルタルに使用される清澄な
水を利用できる。

水量は流動性や最終製品の強度に影響を与え、多量の水
を使用すると、硬化剤の混合物の流動性は高くなるが、
硬化後の強度は低下する。水はケイ酸塩と多価金属塩と
の反応を促進する必須成分である。本発明に使用される
多価金属化合物の濃度は、他のすべての成分の当量重量
に比例させるべきである。

多価金属化合物が十分に存在しない場合には、他のすべ
ての成分は比較的不活性な状態になつてしまう。フライ
アッシュや他の火山灰物質を充填剤として使用して、砂
と同様の作用をはたすようにすることができる。

コンクリートは、本発明のモルタル処方物に砂利や岩を
加えることにより製造される。このようにして製造され
たコンクリートは、硬化時に数百度の温度にさらした後
でさえ、極めて低い水吸収性しか示さない。従つて、本
発明セメント組成物は、建造物の製造に使用するのに特
に適したもので、これらは低エネルギーで作られ、焼成
処理やキルン処理を必要とせずに、コンクリート用の原
料を作ることができる。水酸化ナトリウムとシリカとの
反応によりケイ酸ナトリウムを発生させる際に特に良好
なセメント組成物が得られる。

上記実施例から明らかなように、本発明のセメント組成
物を処方するのに異なる多価金属化合物を使用すると、
種々の活性化温度を有する異なる処方物が生ずる。

例えば、実施施例１の処方物は６６℃の活性化温度を有
するが、実施例３の処方物は５２′Ｃの活性化温度を有
する。特定の活性化温度を有する処方物をその活性化温
度に特に適した温度環境下て使用して、硬化反応を活性
化させるのに十分な温度に付されるまでセメントを可動
性に保持する。本発明の種々のセメント処方物を地面に
掘られた井戸内のバイブや鉄管に使用してバイブ等にセ
メントを施工することができる。井戸内の所定の点の温
度は井戸の深さによつて変化するため、バイブを施工す
るのに使用されるセメント組成物は、井戸の温度を測定
し、本発明の種々の処方物の活性化温度と井戸の温度と
を比較することより選択される。例えば、地下の穴の温
度が約６６℃の場合には、活性化温度が６６℃の実施例
１の処方物を使用して、セメントを井戸内に最終的に置
いだ際にセメントを硬化させることができる。しかし、
上記温度以下では、通常のボルトランドセメントと異な
り、本発明のセメントは長期間可動性もしくはポンプ給
送性を保持したままである。種々の異なる温度を有する
井戸に使用するには、井戸の温度に対応する活性化温度
を有するセメント処方物を使用すべきである。本発明の
セメント処方物を井戸内にバイブを施工するのに使用す
る際には、セメントを上記の如き方法で調整する。

セメントは井戸の現場で調整できるが、井戸の現場から
離れた場所で調整し、硬化させずに現場に移送すること
が便利である。使用前にセメントを保持する際には、物
質の層形成を防止するために、少々攪拌することが必要
である。通常のボルトランドセメントの場合に生起する
輸送と混合の問題を考えると、本発明の処方物の上記の
特徴は極めて重要なことである。本発明のセメント組成
物を調製した後、この組成物を通常の方法と同様に井戸
の壁と一連のバイブとの間の空間にポンプ給送する。し
かし、ポンプの保持装置は必ずしも必要ではない。その
理由は、本発明のセメントは活性化温度に付されても数
時間は硬化せず、ポンプ装置を補修したり取りかえたり
するのに十分な時間があるからである。井戸の中に入れ
た後、ポンプを止め、井戸の温度時間の通過またはそれ
ら両者によりセメントを硬化させる。井戸の温度よりも
実質上低い活性化温度を有するセメント組成物を使用す
ると、実施例に記載の時間よりも短時間で硬化が生ずる
。本発明のセメントにより得られる最終の強度は、通常
のボルトランドセメントにより得られる強度と少なくと
も同じ程度に高く、剪断力は実施例に示される如くボル
トランドセメントの剪断力よりも高い。従つて、本発明
のセメント処方物の接着強度は通常のボルトランドセメ
ントの接着強度よりも非常に高くそのため本発明の処方
物は地熱井戸等の高温の井戸に使用するのに特に適して
る。本発明の処方物は硬化するのに要する時間と温度に
従つて種々の用途に使用できる。本発明を特定の例によ
り説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱しない
限り、種々の変形および修正を施こすことができること
は明らかである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ （ａ）酸化亜鉛、酸化アルミニウム、水酸化アルミ
   ニウムからなる群より選ばれた少なくとも一つの低溶解
   性化合物を約５〜１５重量部と、（ｂ）熱により上記（
   ａ）成分と化学結合するとともに所定の条件下に水に水
   和し得るシリカ細粉、シリカ砂からなる群より選ばれた
   少なくとも一つのシリカ源を約６０〜１００重量部と、
   （ｃ）水量減少剤として噴霧乾燥ケイ酸ナトリウム水和
   物もしくは水酸化ナトリウムを約５〜１５重量部とおよ
   び、（ｄ）（ａ）、（ｂ）、（ｃ）成分の総計１００重
   量部当り約１５〜２０重量部の水からなることを特徴と
   するセメント組成物。