JP2008239403A - 水硬性組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】シリカフュームの使用量を削減して低コスト化を図りつつ、シリカフュームの使用量を削減しない場合と比べて同等以上の流動性及び機械的強度を得ることができ、さらには、減水剤の使用量を削減して早期強度発現性の向上を図り得る水硬性組成物を提供する。
【解決手段】本発明の水硬性組成物は、セメントと、シリカフュームと、平均粒径が５〜１０μｍのフライアッシュとを含有する。シリカフュームは、平均粒径が０．２〜１．０μｍのものが好ましい。シリカフュームとフライアッシュの合計量１００質量部中のフライアッシュの配合量は、好ましくは１〜７０質量部である。シリカフュームとフライアッシュの合計量は、好ましくは、セメント１００質量部に対して、１０〜５０質量部である。
【選択図】なし

Description

本発明は、セメントを含む水硬性組成物（具体的には、コンクリート、モルタル、セメントペースト）に関する。

従来、セメント混和材として、シリカフューム、フライアッシュ等が知られている（特許文献１）。
シリカフュームは、金属シリコン、フェロシリコン、電融ジルコニア等の製造時に発生する副産物であり、シリカを主成分とする球状の超微粒子である。セメント混和材用のシリカフュームの市販品としては、平均粒径が０．１μｍ程度のものが多い、
フライアッシュは、火力発電所での微粉炭の燃焼時に発生する石炭灰であり、平均粒径が３０μｍ程度の、シリカ及びアルミナを主成分とする球状の微粒子である。
特開２００６−１２４２０２号公報

シリカフュームは、そのポゾラン活性及びマイクロフィラー効果等により、水硬性組成物の硬化後の機械的強度（例えば、圧縮強度）及び耐久性を高める機能と、そのボールベアリング効果により、水硬性組成物の硬化前の流動性を高める機能を有する。
そのため、例えば、セメント混和材として、平均粒径が０．１μｍのシリカフュームを用い、かつ水セメント比（水／セメントの質量比）を３０％以下に定めれば、曲げ強度が１００ＭＰａ以上の高強度のセメント組成物を得ることができる。なお、この場合、水セメント比が小さいので、高強度のセメント組成物が得られる反面、シリカフュームの分散性を良好にするために、減水剤の使用量を増やす必要があり、その結果、水硬性組成物の硬化が遅延することがある。
しかし、シリカフュームは、フライアッシュ等の他のセメント混和材と比べて高価であるため、セメント組成物の製造コストを増大させるという欠点がある。

一方、フライアッシュは、そのポゾラン活性により、水硬性組成物の硬化後の機械的強度（例えば、圧縮強度）等を高める機能を有することに加えて、球状のものであれば、セメント組成物の流動性を高める機能も有する。
しかし、フライアッシュは、水硬性組成物の流動性及び硬化後の機械的強度等を向上させる効果の大きさ及び効果の発現の早さの点で、シリカフュームよりも劣るという欠点がある。
そこで、本発明は、シリカフュームの使用量を削減して低コスト化を図りつつ、シリカフュームの使用量を削減しない場合と比べて同等以上の流動性及び機械的強度を得ることができ、さらには、減水剤の使用量を削減して早期強度発現性の向上を図り得る水硬性組成物を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、シリカフュームと、特定の平均粒径を有するフライアッシュを併用すれば、前記の目的を達成しうることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の［１］〜［５］を提供するものである。
［１］ セメント、シリカフューム、及び、平均粒径が５〜１０μｍのフライアッシュを含むことを特徴とする水硬性組成物。
［２］ 上記フライアッシュは、微粉炭の燃焼時に生じる石炭灰を粉砕することなく分級して得られたものである前記［１］に記載の水硬性組成物。
［３］ 上記シリカフュームは、平均粒径が０．２〜１．０μｍのものである前記［１］又は［２］に記載の水硬性組成物。
［４］ 上記シリカフュームと上記フライアッシュの合計１００質量部中、上記フライアッシュの配合量が１〜７０質量部である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の水硬性組成物。
［５］ 上記シリカフュームと上記フライアッシュの合計量が、上記セメント１００質量部に対して、１０〜５０質量部である前記［１］〜［４］のいずれかに記載の水硬性組成物。
［６］ 水及び減水剤を含む前記［１］〜［５］のいずれかに記載の水硬性組成物。

本発明の水硬性組成物によれば、シリカフュームの使用量を削減して低コスト化を図りつつ、シリカフュームの使用量を削減しない場合と比べて同等以上の流動性及び機械的強度を得ることができ、さらには、減水剤の使用量を削減して早期強度発現性の向上を図ることができる。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の水硬性組成物は、セメント、シリカフューム、及び、平均粒径が５〜１０μｍのフライアッシュを含むものである。
本発明で使用するセメントとしては、例えば、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント等の各種ポルトランドセメントが挙げられる。
本発明において、水セメント比が３０質量％以下の条件で良好な流動性を得ようとする場合は、ビーライト系セメント、すなわち、中庸熱ポルトランドセメントや低熱ポルトランドセメントを使用することが好ましい。

本発明で使用するシリカフュームの平均粒径は、好ましくは０．２〜１．０μｍ、より好ましくは０．３〜０．８μｍである。該平均粒径が０．２μｍ未満では、良好な流動性を得るために減水剤の使用量を増大させなければならず、その結果、水硬性組成物の早期強度発現性が低下する傾向がある。該平均粒径が１．０μｍを超えると、このような平均粒径を有するシリカフュームの確保が困難であると同時に、球形でない粒子が増えて、水硬性組成物の流動性を向上させる効果が小さくなるという問題がある。
なお、シリカフュームの平均粒径は、レーザー回折法による粒度分布計を用いて求める。後述のフライアッシュの平均粒径も、同様にして求めることができる。シリカフュームは分散性が悪いため、必要に応じて分散剤、例えば、ヘキサメタ燐酸ナトリウム溶液（０．２％）を用いることがある。
シリカフュームの配合量は、セメント１００質量部に対して、好ましくは５〜４０質量部、より好ましくは１０〜３５質量部、特に好ましくは１５〜３０質量部である。該配合量が５質量部未満では、シリカフュームの配合による効果を十分に得ることが困難となる。該配合量が４０質量部を超えると、シリカフュームの配合量を削減して材料コストを削減しようとする本発明の目的に合わなくなる。

本発明で使用するフライアッシュの平均粒径は、５〜１０μｍ、好ましくは５〜８μｍである。該平均粒径が５μｍ未満では、分級前のフライアッシュの平均粒径が通常、３０μｍ程度であることから、分級によって本発明の使用の対象外となるフライアッシュの量が増大し、本発明で使用可能なフライアッシュの量が少なくなるなどの問題がある。該平均粒径が１０μｍを超えると、不純物の炭素分が混入しやすく，水硬性組成物の流動性や硬化後の機械的強度が低下する。
本発明で使用するフライアッシュは、例えば、火力発電所での微粉炭の燃焼によって生じる石炭灰を粉砕することなく分級することによって得ることができる。具体的には、火力発電所での微粉炭の燃焼によって生じる石炭灰を回収した後、この石炭灰に含まれている未燃カーボン（主に粗粒分に含まれている。）を燃焼させて除去し、次いで、残った石炭灰（主に細粒分からなるもの）を対象にして、乾式の分級機（例えば、サイクロン）または湿式の分級機を用いて分級し、所望の平均粒径を有するフライアッシュを回収する方法等を採用することができる。なお、石炭灰を粉砕することは、本発明で使用される平均粒径５〜１０μｍのフライアッシュの粒子の形状が、球状以外のものに変形する傾向があるので、好ましくない。
フライアッシュの配合量は、セメント１００質量部に対して、好ましくは０．３〜３０質量部、より好ましくは０．５〜２０質量部、特に好ましくは１〜１５質量部である。該配合量が０．３質量部未満では、フライアッシュを使用することによる本発明の効果（具体的には、シリカフュームの使用量を削減しつつ、該使用量を削減しない場合と比べて同等以上の機械的強度等を得ること）を十分に得ることが困難となる。該配合量が３０質量部を超えると、水硬性組成物の機械的強度が低下するなどの問題がある。

本発明において、シリカフュームとフライアッシュの合計１００質量部中、フライアッシュの配合量は、好ましくは１〜７０質量部、より好ましくは２〜５０質量部、特に好ましくは３〜４０質量部である。
該配合量が１質量部未満では、シリカフュームの使用量を小さくして材料コストの削減を図ろうとする本発明の目的を達成することが困難となる。該配合量が７０質量部を超えると、水硬性組成物の機械的強度が低下することがある。

シリカフュームとフライアッシュの合計量は、セメント１００質量部に対して、好ましくは１０〜５０質量部、より好ましくは１５〜４５質量部である。
該配合量が１０質量部未満では、流動性及び機械的強度を向上させる効果が不十分となる場合がある。該配合量が５０質量部を超えると、減水剤の使用量を増加させずに水硬性組成物の流動性を良好にすることが困難な場合がある。

本発明の水硬性組成物は、水と混合する前の粉体混合物（プレミックス材）の形態と、水と混合した後の形態（モルタル等）の両方を包含するものである。
本発明の水硬性組成物は、上述の材料（セメント、シリカフューム、フライアッシュ）に加えて、減水剤、水等を含むことができる。
減水剤としては、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、メラミン系、ポリカルボン酸系の減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤又は高性能ＡＥ減水剤を使用することができる。これらのうち、減水効果の大きなポリカルボン酸系の高性能減水剤又は高性能ＡＥ減水剤を使用することが好ましい。
減水剤の配合量は、水硬性組成物の流動性や分離抵抗性、硬化後の機械的強度、さらに、コスト等の観点から、セメント１００質量部に対して、固形分換算で０．５〜４．０質量部が好ましく、０．５〜２．０質量部がより好ましい。
該配合量が０．５質量部未満では、水硬性組成物の流動性が低下して、混練等が困難になることがある。該配合量が４．０質量部を超えると、材料分離や著しい凝結遅延が生じ、また、硬化後の水硬性組成物の機械的特性が低下することもある。なお、減水剤は、液状又は粉末状のいずれでも使用することができる。

水の量は、セメント１００質量部に対して、好ましくは１０〜３０質量部、より好ましくは１２〜２５質量部である。
水の量が１０質量部未満では、水硬性組成物の流動性が低下して、混練等が困難になることがある。水の量が３０質量部を超えると、硬化後の水硬性組成物の機械的特性が低下する場合がある。

本発明においては、硬化後の曲げ強度を高める観点から、水硬性組成物に、さらに、金属繊維、有機質繊維及び炭素繊維からなる群から選択される少なくとも１種以上を含有させることができる。
金属繊維としては、鋼繊維、ステンレス繊維、アモルファス繊維等が挙げられる。中でも、鋼繊維は、強度に優れており、また、コストや入手のし易さの点からも好ましいものである。金属繊維の寸法は、水硬性組成物中における金属繊維の材料分離の防止や、硬化後の曲げ強度の向上の点から、直径が０．０１〜１．０ｍｍ、長さが２〜３０ｍｍであることが好ましい。
金属繊維の配合量は、硬化後の水硬性組成物中の体積百分率で、好ましくは４．０％未満である。

有機質繊維としては、ビニロン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維、アラミド繊維等が挙げられる。炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維やピッチ系炭素繊維が挙げられる。中でも、ビニロン繊維は、コストや入手のし易さの点で好ましく用いられる。
有機質繊維及び／又は炭素繊維の寸法は、水硬性組成物中における該繊維の材料分離の防止や、硬化後の破壊エネルギーの向上の点から、直径が０．０１〜１．０ｍｍ、長さ２〜３０ｍｍであることが好ましい。
有機質繊維及び／又は炭素繊維の配合量は、水硬性組成物中の体積百分率で好ましくは１０．０％未満である。
なお、本発明において、金属繊維、有機質繊維及び炭素繊維からなる群から選択される２種以上を併用してもよい。

本発明においては、細骨材を使用することができる。細骨材としては、川砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂等又はこれらの混合物を使用することができる。
細骨材の配合量は、作業性や分離抵抗性、硬化後の機械的強度やクラックに対する抵抗性等の観点から、セメント１００質量部に対して、好ましくは５０〜２５０質量部であり、より好ましくは８０〜１８０質量部である。
本発明においては、粗骨材を使用することができる。粗骨材としては、砂利、砕石等を使用することができる。粗骨材の配合量は、セメント１００質量部に対して、好ましくは１００質量部以下である。

本発明において、水硬性組成物の混練方法は、特に限定されるものではなく、例えば、（ａ）水、減水剤以外の材料（具体的には、セメント、シリカフューム、フライアッシュ、及び必要に応じて配合される骨材等）を予め混合して、プレミックス材を調製しておき、該プレミックス材、水、減水剤をミキサに投入し、混練する方法、（ｂ）粉末状の減水剤を用意し、水以外の材料（具体的には、セメント、シリカフューム、フライアッシュ、減水剤、及び必要に応じて配合される骨材等）を予め混合して、プレミックス材を調製しておき、該プレミックス材及び水をミキサに投入し、混練する方法、（ｃ）各材料を各々個別にミキサに投入し、混練する方法、等を採用することができる。
また、混練に用いる装置も特に限定されるものではなく、オムニミキサ、パン型ミキサ、二軸練りミキサ、傾胴ミキサ、モルタルミキサ等の慣用のミキサを使用することができる。
混練した水硬性組成物を成形し、養生・硬化させることによって、セメント質硬化体を製造することができる。養生方法も特に限定されるものではなく、常温養生や蒸気養生等を行なえばよい。

硬化前の水硬性組成物（特に、モルタルまたはペーストの場合）の物性は、次のとおりである。
硬化前の水硬性組成物のフロー値は、好ましくは２５０ｍｍ以上、より好ましくは２６０ｍｍ以上である。なお、本明細書中において、フロー値とは、「ＪＩＳ Ｒ ５２０１（セメントの物理試験方法）１１．フロー試験」に記載される方法において、１５回の落下運動を行なわないで測定した値である。
硬化後の水硬性組成物の圧縮強度は、好ましくは１８０ＭＰａ以上、より好ましくは２００ＭＰａ以上である。

以下、実施例によって本発明を説明する。
１．使用材料
以下に示す材料を使用した。
（１）セメント；低熱ポルトランドセメント
（２）シリカフューム；平均粒径０．７μｍ
（３）フライアッシュＡ；平均粒径７μｍ
（４）フライアッシュＢ；平均粒径２０μｍ
（５）細骨材；珪砂（最大粒径０．６ｍｍ）
（６）減水剤；「マイティ３０００（商品名）」（花王社製）
（７）水；水道水

２．モルタル評価試験
上記材料を使用して、下記の表１に示す配合量で、モルタル（実施例1〜４及び比較例１〜２）を調製した。
モルタルの調製には、モルタルミキサを使用し、各材料を個別にミキサに投入し、低速で５分間混練した後、高速で４分間混練した。
各モルタルのフロー値を「ＪＩＳ Ｒ ５２０１（セメントの物理試験方法） １１．フロー試験」に記載される方法において、１５回の落下運動を行わないで測定した。
また、各モルタルについて、９０℃、４８時間、蒸気養生後の圧縮強度を測定した。
結果を表１に示す。

表１から、本発明の水硬性組成物（実施例１〜４）では、セメント混和材としてシリカフュームのみを用いた水硬性組成物（比較例１）と比べて、流動性（フロー値）及び機械的強度（圧縮強度）が向上し、しかも減水剤の使用量がやや小さくなっていることがわかる。また、フライアッシュの平均粒径が本発明の範囲外である水硬性組成物（比較例２）では、実施例３の水硬性組成物と比べて、流動性（フロー値）及び機械的強度（圧縮強度）が劣ることがわかる。

Claims (6)

1. セメント、シリカフューム、及び、平均粒径が５〜１０μｍのフライアッシュを含むことを特徴とする水硬性組成物。
2. 上記フライアッシュは、微粉炭の燃焼時に生じる石炭灰を粉砕することなく分級して得られたものである請求項１に記載の水硬性組成物。
3. 上記シリカフュームは、平均粒径が０．２〜１．０μｍのものである請求項１又は２に記載の水硬性組成物。
4. 上記シリカフュームと上記フライアッシュの合計１００質量部中、上記フライアッシュの配合量が１〜７０質量部である請求項１〜３のいずれか１項に記載の水硬性組成物。
5. 上記シリカフュームと上記フライアッシュの合計量が、上記セメント１００質量部に対して、１０〜５０質量部である請求項１〜４のいずれか１項に記載の水硬性組成物。
6. 水及び減水剤を含む請求項１〜５のいずれか１項に記載の水硬性組成物。