JP2013100190A - コンクリート組成物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、廃材を使用する場合でも十分な強度を有するコンクリート硬化体を得ることができるコンクリート組成物の製造方法を提供することを目的とするものである。
【解決手段】コンクリート組成物の製造方法は、粘土瓦の廃材、レンガの廃材又は陶磁器の廃材を粉砕して得られる粉粒体等からなるポゾラン反応性材料と、ポゾラン反応性材料を活性化させる石灰類等からなる活性材料を含む混合材に水及び減水剤を加えてポゾラン反応性材料を活性化させ、活性化された混合液をセメント及び骨材とともに混練してコンクリート組成物を生成する。
【選択図】なし

Description

本発明は、セメント、水及び骨材等を混合したコンクリート組成物を製造する製造方法に関する。

コンクリート組成物は、セメント、水、細骨材又は粗骨材といった骨材をミキサー等で混合して製造され、混合する際に必要に応じて混和材料が添加される。製造されたコンクリート組成物は、未硬化状態の場合にはフレッシュコンクリートと称され、また、フレッシュコンクリートのうち、製造設備から荷卸し時点までの品質が指定されている場合にはレディミクストコンクリート（生コンクリートとも称される）と称されている。コンクリート組成物が養生工程等により硬化した硬化体としては、普通コンクリート、軽量コンクリートといった密度より区分されたものが開発されており、それ以外にも構成材料、特性、用途に応じて様々なコンクリートが開発されている。なお、本明細書では、こうしたコンクリート組成物を硬化させたものを総称してコンクリート硬化体という。

上述したコンクリートは、建物等の構造体をはじめ、橋梁、ダム、護岸壁等の構造物、各種コンクリートブロックといった幅広い用途に使用されている。こうしたコンクリートに対して、近年では、温暖化対策及び環境問題への対応が求められており、製品化の段階での二酸化炭素の排出抑制、製品のリサイクルといった観点からも検討されるようになってきている。製品のリサイクルについては、例えば、特許文献１では、セメント硬化体用強度向上材として、陶磁器の廃材、粘土瓦の廃材又はレンガの廃材から選ばれた少なくとも１つの焼成カオリンを含む材料を粉砕した粉粒体を用いる点が記載されており、様々な廃材の再生利用を図ることが提案されている。

特許第３６６５７７０号公報

ＪＩＳ規格では、セメントの種類について、ポルトランドセメント、高炉セメント等の混合セメント、ゴミ等の焼却灰を混合するエコセメントが規定されている。混合セメントは、ポルトランドセメントに高炉スラグ、フライアッシュ、シリカ質混合材といった混合材を５％〜２０％添加することで、ポルトランドセメントの使用量をその分減量することができるため、結果としてポルトランドセメントを生産する際に発生する二酸化炭素を減少させることになる。温暖化の原因とされている二酸化炭素を削減することができるため、混合セメントを使用することは、ポルトランドセメントのみを使用する場合に比べて温暖化対策に適うものと考えられる。

そのため、特許文献１に記載されているように、廃材を混合してコンクリート硬化体を製造することは、温暖化対策及び製品のリサイクル観点からは好ましいものであるが、コンクリート組成物を養生して硬化体とする場合に、ポルトランドセメントのみを使用する場合に比べて十分な強度を得ることが困難であった。

そこで、本発明は、廃材を使用する場合でも十分な強度を有するコンクリート硬化体を得ることができるコンクリート組成物の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係るコンクリート組成物の製造方法は、ポゾラン反応性材料及び当該ポゾラン反応性材料を活性化させる活性材料を含む混合材に水及び減水剤を加えてポゾラン反応性材料を活性化させる活性化工程と、活性化工程で得られた混合物をセメント及び骨材とともに混練してコンクリート組成物を生成する混練工程とを備える。さらに、前記ポゾラン反応性材料は、粘土瓦の廃材、レンガの廃材又は陶磁器の廃材を粉砕して得られる粉粒体である。さらに、前記活性材料は、石灰類及び／又は石膏類からなる粉粒体である。さらに、前記ポゾラン反応性材料及び前記活性材料の合計配合量と前記セメントの配合量との比率を５：９５〜４０：６０とする。

本発明は、ポゾラン反応性材料及び当該ポゾラン反応性材料を活性化させる活性材料を予め水とともに混合して活性化させ、さらに減水剤を加えることで減水剤の界面活性作用及び湿潤作用により活性材料を混合液中に分散させてポゾラン反応性材料の表面を十分活性化させることができる。そして、活性化されたポゾラン反応性材料をセメント及び骨材とともに混練することで、コンクリート組成物のポゾラン反応が促進されるようになり、十分な強度を有するコンクリート硬化体を得ることができる。

実施例及び比較例の測定結果を示す表である。

以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。本発明で用いられるセメントとしては、市販品等の公知のものが挙げられ、特に限定されるものではない。具体的には、ポルトランドセメント、混合セメント、エコセメント、特殊セメントといったものが挙げられる。ポルトランドセメントには、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超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、耐硫酸塩ポルトランドセメント及びこれらのセメントの低アルカリ形のものが挙げられる。

これらのセメントを複数種混合して使用してもよいが、通常の用途のコンクリート組成物を製造する場合には、普通ポルトランドセメントを使用するのが好ましい。

本発明で用いられる骨材としては、砂、砕砂等の細骨材や砂利、砕石等の粗骨材が挙げられる。また、スラグ砕石等の人工骨材、コンクリート屑、陶器屑、レンガ屑、瓦屑等を粉砕した再生骨材を用いることもでき、必要に応じてこれらの骨材から選択した少なくとも１種以上を使用すればよい。

本発明で用いられるポゾラン反応性材料は、フライアッシュ、シリカフューム及び高炉スラグといった混合セメントに使用されている混合材が挙げられる。混合材以外に、タイル、食器、容器、衛生陶器等の陶磁器の廃材、粘土瓦の廃材又はレンガの廃材を細かく粉砕した粉粒体を使用することができる。こうした廃材は、建設廃材又は建築廃材として最終処分場に運搬されて廃棄処分されているが、処分費用がかかることから、本発明のように粉砕して再利用することで、コスト削減となるとともに廃棄物を削減する点で環境にも配慮したコンクリート組成物を製造することができる。

こうした混合材や粉粒体を使用する場合には、粒子の粒径を小さくした方が粒子の表面積が増加して活性化の向上を図ることができるが、粒径を細径化するほど処理のコスト負担が増加するため、減水剤の界面活性作用及び湿潤作用により粒子を混合溶液中で分散させることで活性化の向上を図るようにする。

ポゾラン反応性材料については、上記の混合材や廃材の粉粒体に限定されるものではなく、ポゾラン反応性を示すものであれば使用することができる。なお、ポゾラン反応性とは、Ｃａ（ＯＨ）₂がＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃と反応して、不溶性のカルシウムシリケート水和物やカルシウムアルミネート水和物を生成する反応である。

本発明で用いられるポゾラン反応性材料を活性化させる活性材料は、ポゾラン反応性材料の表面のポゾラン反応を促進させるように作用する材料で、生石灰（ＣａＯ）、消石灰（Ｃａ（ＯＨ）₂）等の石灰類、半水石膏、二水石膏、無水石膏等の石膏類が挙げられ、これらを単独又は混合して使用することができる。石灰類及び石膏類は、特に限定されるものではなく、市販品を使用することができ、各種副産物として生成されるものでも使用できる。石灰類では、副産物として生成されるものとしては、例えば、ホタテ養殖の際に生じる貝殻や発電所から海に排出される温排水の排水口に付着した貝といったカルシウムを含む廃棄物を焼成した石灰類、カーバイドを製造する際に生じるスラリー状の副産物（スペンドカーバイド）が挙げられる。こうした廃棄物等の副産物を再利用することで、廃棄物を削減することができ、環境に配慮したコンクリート組成物を製造することができる。

石灰類及び石膏類は粉粒体で使用するとよく、粒子の粒径を小さくした方がポゾラン反応性材料に対する活性化作用を向上させることができる。石灰類及び石膏類を粉粒体で使用する場合、粒子の凝集が生じやすいが、減水剤の界面活性作用及び湿潤作用により粒子を混合溶液中で分散させることで活性化作用を十分発揮させることができる。

ポゾラン反応性材料及び活性材料の合計配合量とセメントの配合量については、配合比率を５：９５〜４０：６０の範囲に設定することが好ましく、５：９５〜２０：８０の範囲に設定することがより好ましい。ポゾラン反応性材料及び活性材料の合計配合量の比率が５より少ないと、セメントの使用量が増加してセメントの生産の際に発生する二酸化炭素の削減に対する貢献度が小さくなり、温暖化対策に十分寄与することができない。セメントを生産する際に発生する二酸化炭素の量は、セメント１トン当り３００ｋｇ（エネルギー起源で算定した場合）といわれており、上述したように、廃材を利用したポゾラン反応性材料を用いてセメントの使用量を削減することで、セメントの生産の際に発生する二酸化炭素の発生量を確実に削減することができる。そのため、ポゾラン反応性材料の配合量を多くした方が望ましいが、ポゾラン反応性材料及び活性材料の合計配合量の比率が４０を超えると、製造されるコンクリート組成物を硬化させた硬化体の強度がセメントのみのコンクリート組成物の場合に比べて低下するので、上記の配合比率の範囲でポゾラン反応性材料及び活性材料を配合することが望ましい。そして、ポゾラン反応性材料及び活性材料の合計配合量の比率を２０以下とすれば、セメントのみの場合とほぼ同等の強度を有するコンクリート組成物を安定して製造する点でさらに望ましい。

また、ポゾラン反応性材料及び活性材料の配合量については、ポゾラン反応性材料の配合量を活性材料の配合量に対して好ましくは２倍程度に設定することで、ポゾラン反応性材料の表面を十分活性化することができる。

コンクリート組成物を製造する場合には、混和材料として、ＡＥ剤、減水剤、高性能ＡＥ減水剤、コンクリート分離防止剤、促進剤、急結剤、遅延剤、気泡剤、発泡剤、防錆剤、フライアッシュ、シリカフューム、高炉スラグ粉末、膨張剤等を使用することができる。

本発明では、ポゾラン反応性材料及び活性材料を水と混合した混合液に減水剤を加え、減水剤の界面活性作用及び湿潤作用によりポゾラン反応性材料及び活性材料を混合液中に分散させることで、ポゾラン反応性材料を活性材料により十分活性化させるようにする。また、減水剤は、湿潤作用によりポゾラン反応性材料及び活性材料の表面の水和活性を高める効果があるため、ポゾラン反応性材料の表面に活性材料が接触しやすくなって活性化されやすくなる。特に、活性材料として石灰類の粉粒体を使用する場合には、混合液中で粉粒体が凝集しやすいが、減水剤を加えることで、粉粒体が混合液中に均一に分散してポゾラン反応性材料を均一に活性化させることができる。

減水剤としては、コンクリートの凝結時間がほとんど変化しない標準形減水剤、コンクリートの凝結を遅延させる遅延形減水剤及びコンクリートの凝結及び初期強度の発現を促進させる促進形減水剤が挙げられる。ポゾラン反応性材料を活性材料により活性化させる点では、促進形減水剤が好ましい。

減水剤又はＡＥ減水剤には、ポリオール複合体、リグニンスルホン酸塩及びその誘導体、オキシカルボン酸塩等を主成分とする陰イオン系界面活性剤が挙げられる。また、高性能減水剤には、アルキルアリルスルホン酸塩（ナフタリンスルホン酸塩）、メラミンスルホン酸塩等を主成分とするものが挙げられ、ポリカルボン酸系の減水剤も使用されるようになってきている。高性能ＡＥ減水剤には、ポリカルボン酸系、ナフタリン系、アミノスルホン酸系およびメラミン系の４種類が挙げられる。ポゾラン反応性材料を活性材料により活性化させる点では、メラミンスルホン酸系又は早強型減水剤が好ましい。

減水剤の配合量は、セメント、ポゾラン反応性材料及び活性材料の総量に対して１００ｇ当り０．５ミリリットル〜２ミリリットル添加することが好ましい。

コンクリート組成物を製造する場合には、まず、常温でポゾラン反応性材料及び活性材料を水とともにミキサー等の混練装置に投入して混合しながら減水剤を添加してポゾラン反応性材料の表面を活性材料により活性化させる。水の量は、後で投入するセメントの量に応じて調整すればよく、セメントの量に対して３５％〜６５％に設定すればよい。活性化させる時間は、１分以上が好ましい。

ポゾラン反応性材料を活性化させた混合液を収容するミキサー等の混練装置にセメント及び骨材とともに投入して公知の方法で混練してコンクリート組成物を製造する。なお、骨材として砂等の細骨材を使用する場合には、ポゾラン反応性材料を活性化する工程で混合液に投入するようにしてもよい。また、混和材料を使用する場合には、セメントとともに投入すればよいが、必要に応じて予め混合液に加えるようにしてもよい。

（実施例１）
セメント及び骨材として、普通ポルトランドセメント（太平洋セメント株式会社製）、飯豊珪砂６号（ＪＦＥミネラル株式会社製）を用いた。また、ポゾラン反応性材料として、越前瓦の廃材を粉砕して粒径を７５μｍ以下とした粉粒体を準備し、活性材料として、消石灰（菱光株式会社製）を用いた。減水剤として、メラミンスルホン酸系減水剤（ＢＡＳＦポゾリス株式会社製；製品名レオビルド４０００）を用いた。

セメント及び骨材の配合比率は、重量比で１：２とし、製造に使用する水の量は、セメントの量の６５％（重量比）とした。また、セメント、廃瓦の粉粒体及び消石灰の配合比率は、重量比で９０：７：３に設定し、減水剤は、セメント、廃瓦の粉粒体及び消石灰の総重量に対して１００ｇ当り２ミリリットルを加えた。

まず、ミキサーに廃瓦の粉粒体及び消石灰を水とともに投入して混合しながら減水剤を添加して常温で３分間混合した。そして、混合した混合液を収容するミキサーにセメント及び骨材を投入してさらに３分間混練してコンクリート組成物を製造した。

製造したコンクリート組成物を所定の型枠内に流し込み、養生させながらコンクリート組成物を硬化させてコンクリート硬化体を得た。コンクリート硬化体の強度（Ｎ／ｍ²）について、７日後、２８日後、９１日後にそれぞれセメントの物理試験法（ＪＩＳ Ｒ５２０１−６４）の圧縮強度試験法に準じて測定した。

（比較例１）
実施例１と同様のセメント及び骨材を用いて、同量の水とともにミキサーで混練してコンクリート組成物を製造した。そして、実施例１と同様にコンクリート組成物を硬化させ、得られたコンクリート硬化体の強度について実施例１と同様に測定した。

（比較例２）
実施例１と同様のセメント、骨材及び廃瓦の粉粒体を用い、セメント及び廃瓦の粉粒体の配合比率を９０：１０に設定した。そして、セメント、骨材及び廃瓦の粉粒体を水とともに同時にミキサーに投入して混合した。その際に、減水剤も投入と同時に添加して混練し、コンクリート組成物を製造した。製造されたコンクリート組成物を実施例１と同様に硬化させ、得られたコンクリート硬化体の強度について実施例１と同様に測定した。

（比較例３）
比較例２において、セメント及び廃瓦の粉粒体の配合比率を９３：７に設定し、それ以外は比較例２と同様にコンクリート組成物を製造した。そして、製造されたコンクリート組成物を実施例１と同様に硬化させ、得られたコンクリート硬化体の強度について実施例１と同様に測定した。

（比較例４）
実施例１と同様のセメント、骨材、廃瓦の粉粒体及び消石灰を用い、セメント、廃瓦の粉粒体及び消石灰の配合比率を９０：７：３に設定した。そして、セメント、骨材、廃瓦の粉粒体及び消石灰を水とともに同時にミキサーに投入して混合した。その際に、減水剤も投入と同時に添加して混練し、コンクリート組成物を製造した。製造されたコンクリート組成物を実施例１と同様に硬化させ、得られたコンクリート硬化体の強度について実施例１と同様に測定した。

（比較例５）
実施例１と同様のセメント、骨材、廃瓦の粉粒体及び消石灰を用い、セメント、廃瓦の粉粒体及び消石灰の配合比率を９０：７：３に設定した。まず、実施例１と同様に、ミキサーに廃瓦の粉粒体及び消石灰を水とともに投入して混合した。減水剤については、添加しなかった。そして、実施例１と同様に、混合した混合液を収容するミキサーにセメント及び骨材を投入してさらに混練してコンクリート組成物を製造した。製造されたコンクリート組成物を実施例１と同様に硬化させ、得られたコンクリート硬化体の強度について実施例１と同様に測定した。

実施例１及び比較例１〜５の測定結果を図１に示す。これらの測定結果をみると、実施例１では、９１日後の強度が比較例１に示すセメント及び骨材のみの強度と同程度に硬化しており、従来のセメント及び骨材からなるコンクリート硬化体と同様に施工可能であることが確認できた。また、比較例１〜３に示すように、廃瓦の粉粒体の配合比率が高くなるに従い硬化速度が遅くなっており、廃瓦の粉粒体のポゾラン反応の遅れによるものと考えられる。また、比較例４に示すように、セメントと同時に廃瓦の粉粒体、消石灰及び減水剤を投入しても、消石灰及び減水剤の投入効果はみられない。比較例５では、事前に廃瓦の粉粒体及び消石灰を混合したことによる効果が若干生じているものの比較例１の場合に比べて硬化速度が遅くなっている。

これらの測定結果から、廃瓦の粉粒体及び消石灰を水とともに混合して減水剤を添加した混合液を調製した後混合液をセメント及び骨材とともに混練することで、セメントの量を削減した場合でも従来と同様のコンクリート組成物が製造可能であることがわかる。

Claims (6)

1. ポゾラン反応性材料及び当該ポゾラン反応性材料を活性化させる活性材料を含む混合材に水及び減水剤を加えてポゾラン反応性材料を活性化させる活性化工程と、活性化工程で得られた混合物をセメント及び骨材とともに混練してコンクリート組成物を生成する混練工程とを備えるコンクリート組成物の製造方法。
2. 前記ポゾラン反応性材料は、粘土瓦の廃材、レンガの廃材又は陶磁器の廃材を粉砕して得られる粉粒体である請求項１に記載の製造方法。
3. 前記活性材料は、石灰類及び／又は石膏類からなる粉粒体である請求項１又は２に記載の製造方法。
4. 前記ポゾラン反応性材料及び前記活性材料の合計配合量と前記セメントの配合量との比率を５：９５〜４０：６０とする請求項１から３のいずれかに記載の製造方法。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の製造方法により製造されたフレッシュコンクリート。
6. 請求項１から４のいずれかに記載の製造方法により製造されたコンクリート組成物を硬化させたコンクリート硬化体。

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