JP4393989B2

JP4393989B2 - 再生骨材改質材

Info

Publication number: JP4393989B2
Application number: JP2004376170A
Authority: JP
Inventors: 赤木　　隆一; 阪口　　美喜夫; 和久依田; 彰新谷; 利之小野寺
Original assignee: Kao Corp; Kajima Corp
Current assignee: Kao Corp; Kajima Corp
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2024-12-27
Also published as: JP2006182591A

Description

本発明は、再生骨材改質材、再生骨材改質材を使用する再生骨材の改質方法、前記改質方法で処理して得られる改質再生骨材に関する。

環境保全の観点から、コンクリートに代表される水硬性組成物硬化体の廃材の再利用を図るため、水硬性組成物硬化体の廃材を破砕分級して再生骨材として利用することが試みられている。

かかる再生骨材はバージン骨材を使用した場合に比べ、水硬性組成物硬化体の強度が低下することが大きな課題であり、この課題を解決するための1つの方法として、シリカ組成物で再生骨材を改質することが検討されている。

非特許文献１には、コロイダルシリカ溶液に浸漬処理した再生骨材を使用したコンクリートが開示され、非特許文献２には、シリカフュームスラリー中に浸漬処理した再生骨材を使用したコンクリートが開示されている。
コンクリート工学，Vol.37，No.11，pp27-32，1999 セメント・コンクリート論文集，No.55，pp688-693

非特許文献１および非特許文献２に開示された再生骨材では、コンクリートの強度を十分に高めることができない。

本発明は、再生骨材を使用した水硬性組成物硬化体にバージン骨材を使用した場合と同等又はそれ以上の強度を与えうる再生骨材改質材、再生骨材改質材を使用する再生骨材の改質方法、前記改質方法で処理して得られる改質再生骨材を提供することを課題とする。

本発明は、課題の解決手段として、
請求項１の発明として、結晶性シリカ粉末を含有する再生骨材改質材、
請求項２の発明として、請求項１記載の再生骨材改質材と再生骨材を水の存在下で接触させる再生骨材の改質方法、
請求項３の発明として、請求項１記載の再生骨材改質材および再生骨材を水の存在下で接触させ、さらにセメントを接触させる再生骨材の改質方法、
請求項４の発明として、前記の水の量が、下記式で定義される再生骨材の表面水率を０％にするのに必要な水量（ｗ）に、再生骨材の見掛単位面積当たり０〜２５０ｇ／ｍ^２に相当する水量を加えた量である請求項２又は３記載の再生骨材の改質方法、
ｗ＝使用する再生骨材の重量(g)×使用する再生骨材の表面水率×（−１）÷100
請求項５の発明として、請求項２〜４のいずれか記載の再生骨材の改質方法を適用して得られる改質再生骨材、
請求項６の発明として、水、セメントおよび請求項５記載の改質再生骨材を含有するコンクリート組成物、
請求項７の発明として、請求項６記載のコンクリート組成物を硬化して得るコンクリート硬化体、の各発明を提供する。

本発明の再生骨材改質材を用いて再生骨材を改質することにより、改質した再生骨材を用いた水硬性組成物硬化体にバージン骨材を使用した場合と同等又はそれ以上の強度を与えることができる。

再生骨材を使用した水硬性組成物硬化体の強度を向上させるために検討されてきたシリカ組成物は、従来、非特許文献１および非特許文献２に記載されるコロイダルシリカやシリカフュームを始め、フライアッシュ等の非晶質のシリカ組成物に限られてきた。

本発明者は、シリカの結晶性に着目し、再生骨材の改質効果を詳細に検討した結果、本発明を完成するに至った。以下、本発明について、水硬性組成物硬化体の代表であるコンクリートを例に説明する。

＜再生骨材改質材＞
本発明の再生骨材改質材に含まれる結晶性シリカ粉末としては、結晶化度と平均粒径が所定範囲のものが好ましい。

結晶化度は、好ましくは９０％以上で、より好ましく９５％以上、さらに好ましくは９８％以上、特に好ましくは１００％であり、平均粒径は、好ましくは０．０１〜４０μｍで、より好ましくは０．１μｍ〜３０μｍ、さらに好ましくは０．１μｍ〜２０μｍ、特に好ましくは０．２μｍ〜１０μｍであるものを用いる。なお、結晶化度および平均粒径は、実施例に記載する方法により求められる。

結晶性シリカ粉末は、鉱物中に含まれる結晶性シリカを粉砕、分級して得ることができる。結晶性シリカとしては、石英、水晶、クリストバライト等が挙げられる。鉱物原料としては、天然産岩石全般が利用できるが、特に結晶性シリカの純度の観点から珪砂が好ましい。珪砂としては、オーストラリア産のパールサンドおよびフラッタリーサンド、インドネシア産のサラワクサンド、ベトナム産のカムランサンド、珪石を粉砕した珪砂などが挙げられる。

再生骨材改質材は、結晶性シリカ粉末の再生骨材への結着性を向上し、再生骨材を使用したコンクリートの強度発現の観点から、さらに珪酸塩を含有することが好ましい。珪酸塩の含有量は、結晶性シリカ粉末１００重量部に対して、１重量部以上が好ましく、３重量部以上がより好ましく、５重量部以上がさらに好ましいが、スラリーの分散安定性の観点から、３０重量部以下が好ましく、２０重量部以下がより好ましく、１５重量部以下がさらに好ましい。

本発明の再生骨材改質材においては、再生骨材への付着量を十分に確保するという観点から、結晶性シリカ粉末、又は結晶性シリカ粉末および珪酸塩の含有量は、再生骨材改質剤の全固形分中、好ましくは５０重量％以上、より好ましく６０重量％以上である。

珪酸塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩等が挙げられるが、高濃度、高温度におけるスラリーの分散安定性の観点から、ナトリウム塩がより好ましい。

本発明の再生骨材改質材は、結晶性シリカ粉末および珪酸塩以外にも、本発明の効果を損なわない範囲で、酸化アルミナ、酸化鉄、酸化リン、酸化チタン等の鉱物成分、コロイダルシリカ、シリカフューム、フライアッシュ等の非晶性シリカ、セメント、スラグ、石灰石の無機粉末；樹脂石鹸、飽和もしくは不飽和脂肪酸、ラウリルサルフェート、アルキルベンゼンスルホン酸（塩）、アルカンスルホネート等のＡＥ剤；グルコン酸、クエン酸等のオキシカルボン酸系、デキストリン、糖アルコール系等の遅延剤；起泡剤；増粘剤；ＡＥ減水剤；早強剤又は促進剤；発泡剤；防水剤；流動化剤；ジメチルポリシロキサン系、ポリアルキレングリコール脂肪酸エステル系、鉱油系、油脂系、オキシアルキレン系、アルコール系、アミド系等の消泡剤；防泡剤；メラミンスルホン酸ホルマリン縮合物系、アミノスルホン酸系、ポリカルボン酸系、ポリマレイン酸系等の高性能減水剤；防錆剤；メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース等の水溶性高分子；（メタ）アクリル酸アルキル等の高分子エマルジョン；無機電解質等の添加材（剤）を含有してもよい。

これらの含有量は、全固形分中、５０重量％以下が好ましく、２０重量％以下がより好ましく、１０重量％以下がさらに好ましく、２重量％以下がさらに好ましい。

本発明の再生骨材改質材では、結晶性シリカがセメントのような水硬性を実質的に有さず、中性近傍の水に対して化学的に安定であるため、再生骨材と混合する際の作業性の観点から、水系スラリーであることが好ましい。ただし、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンが存在する場合は、アルカリ域での化学的安定性を考慮して、これらのイオンが結晶性シリカ１００重量部に対して１５重量部以下であることが好ましい。

水系スラリーにした場合、水系スラリー中の全固形分は、性能発現に寄与する結晶性シリカの有効成分量を確保する観点から、５重量％以上が好ましく、１０重量％以上がより好ましく、１５重量％以上がさらに好ましく、水系スラリーの分散安定性の観点から、５０重量％以下が好ましく、３０重量％以下がより好ましく、２５重量％以下がさらに好ましい。

本発明の再生骨材改質材は、例えば、コンクリートミキサーを用い、結晶性シリカ粉末、再生骨材、必要に応じて、珪酸塩、水、他の任意成分を攪拌混合して得ることができる。

＜再生骨材の改質方法＞
再生骨材改質材は水に不活性な結晶性シリカを含んでいるため、再生骨材の改質方法としては、再生骨材改質材と再生骨材を水の存在化で接触させることで、再生骨材改質材を再生骨材の表面に付着させて改質する方法を適用することが好ましく、例えば、下記の（１）〜（４）から選ばれる方法を適用できる。

再生骨材改質材中に珪酸塩が含まれている場合、あらかじめ結晶性シリカと混合しておいてもよいし、再生骨材と付着させる工程で混合してもよい。

（１）表面に水が付着している再生骨材と粉末状の再生骨材改質材とを攪拌混合する方法。必要に応じて水を加えることもできる。

再生骨材表面への水の付着程度は、再生骨材の表面水率（骨材の表面に付着している水の量で、表乾状態の骨材の重量に対する百分率で表す。ＪＩＳＡ1125「骨材の含水率試験方法および含水率に基づく表面水率の試験方法」により求める。）を基準にすることができ、表面水率が０％（いわゆる表乾状態）以上が好ましい。ただし、再生骨材改質材の再生骨材表面への片寄りなく付着することを考慮すると、表面水率は１０％以下、さらに、５％以下、さらには、３％以下が好ましい。

（２）表面水率が０％の再生骨材とスラリー状の再生骨材改質材（例えば、上記した範囲の固形分量のもの）を攪拌混合する方法。

（３）表面水率が０％の再生骨材と粉末状の再生骨材改質材に水を加えながら攪拌混合する方法。

（４）コンクリートの製造工程中に再生骨材を改質する方法。例えば、再生骨材改質材による処理をしていない再生骨材と本発明の再生骨材改質材とをコンクリートミキサーで混合攪拌した後に、残りの材料（セメントおよび水等）を投入してさらに混合攪拌してコンクリートを製造する。

再生骨材と再生骨材改質材とを攪拌混合する場合、再生骨材を使用したコンクリートの強度発現の観点から、再生骨材改質材の量は、再生骨材の下記の「骨材の表面積の導出方法」により測定される表面積を使用すると、見掛単位面積当り１５ｇ／ｍ^２以上が好ましく、４０ｇ／ｍ^２以上がより好ましく、１００ｇ／ｍ^２以上がさらに好ましいが、全シリカと骨材およびセメントが有効に接触することが望ましいという観点から、４００ｇ／ｍ^２以下が好ましく、３００ｇ／ｍ^２以下がより好ましく、２００ｇ／ｍ^２以下がさらに好ましい。

（骨材の表面積の導出方法）
骨材をＪＩＳＡ 1102に則ってふるい分ける。ふるいは、ＪＩＳＺ 8801-1に規定される呼び寸法７５μｍ、１５０μｍ、３００μｍ、６００μｍおよび１．１８ｍｍ、２．３６ｍｍ、４．７５ｍｍ、９．５ｍｍ、１６ｍｍ、１９ｍｍ、２６．５ｍｍ、３１．５ｍｍ、３７．５ｍｍ、５３ｍｍ、６３ｍｍ、７５ｍｍ、１０６ｍｍの網ふるいを使用する。

骨材を７５〜１５０μｍ（１１２．５μｍ）、１５０〜３００μｍ（２２５μｍ）、３００〜６００μｍ（４５０μｍ）、６００μｍ〜１．１８ｍｍ（８９０μｍ）、１．１８〜２．３６ｍｍ（１．７７ｍｍ）、２．３６〜４．７５ｍｍ（３．５６ｍｍ）、４．７５〜９．５ｍｍ（７．１３ｍｍ）、９．５〜１６ｍｍ（１２．７５ｍｍ）、１６〜１９ｍｍ（１７．５ｍｍ）、１９〜２６．５ｍｍ（２２．７５ｍｍ）、２６．５〜３１．５ｍｍ（２９ｍｍ）、３１．５〜３７．５ｍｍ（３４．５ｍｍ）、３７．５〜５３ｍｍ（４５．２５ｍｍ）、５３〜６３ｍｍ（５８ｍｍ）、６３〜７５ｍｍ（６９ｍｍ）、７５〜１０６ｍｍ（９０．５ｍｍ）に分類し、それぞれの絶乾重量（ｗ_ｉ）、絶乾密度（ρ_ｉ）を測定する。各分類の骨材粒径を最大寸法と最小寸法の平均値とする（かっこ内値＝ｒ_ｉ）。これらのｗ_ｉ、ρ_ｉ、ｒ_ｉを用い、下記式（I）から骨材表面積を求め、下記式（II）から骨材全表面積を求める。

（１）〜（３）の方法において、再生骨材と再生骨材改質材を接触させるときの水の量（表１中の「接触時の水の量g／m^２」である）は、コンクリート製造時に使用する再生骨材の表面水率を０％にするのに必要な水量（ｗ）に再生骨材の見掛単位面積当たり、好ましくは０〜３００ｇ／ｍ^２、より好ましくは０〜２７０ｇ／ｍ^２、さらに好ましくは０〜２５０ｇ／ｍ^２に相当する水量を加えた量である。ここに、ｗは以下の式で計算できる。

ｗ＝使用する再生骨材の重量(g)×使用する再生骨材の表面水率×（−１）÷100
水の割合が前記範囲内であると、水中に結晶性シリカ粉末が拡散することが防止され、骨材に付着し易くなる。

（１）〜（３）の方法においては、例えば、強制二軸ミキサー、傾胴ミキサー、より好ましくは強制二軸ミキサーに再生骨材、再生骨材改質材および所定量の水を入れ、通常のコンクリート製造時の回転速度で１〜２分間攪拌混合し、その後、実質的に新たな水を加えずに、より好ましくはセメントを一部又は全部入れて１〜２分間攪拌混合することが好ましい。ここで実質的に新たな水を加えないとは、水を加えたとしても前記所定量の水量の５％以下、好ましくは３％以下、さらに好ましくは１％以下であり、特に好ましくは水を加えないことをいう。

本発明の再生骨材の改質方法を適用する再生骨材は公知のものが使用できる。再生骨材とは、建設廃棄物であるセメントコンクリート塊の破砕・分級されて得られる骨材全般を意味し、一例として、旧建設省による「コンクリート副産物の再利用に関する用途別暫定品質基準」に掲げる１種ないし３種再生骨材等が挙げられる。

本発明の再生骨材の改質方法を適用して処理した改質再生骨材は、コンクリート用の骨材として、細骨材としても、粗骨材としても好ましく使用できるが、コンクリートの強度発現性の観点からは、粗骨材として使用することが好ましい。

＜コンクリート組成物とコンクリート硬化体＞
本発明のコンクリート組成物は、予め再生骨材改質材で処理した改質再生骨材を他の材料（セメントおよび水等）と共にコンクリートミキサーで混合攪拌して製造することができる。

また、本発明のコンクリート組成物は、再生骨材改質材および再生骨材を水の存在下で接触させ、さらに同一水系でセメントを接触させて再生骨材を改質処理した後、残りの材料（セメント及び水等）を投入し、さらに混合攪拌して製造することができる。

水の使用量は、上記した「再生骨材の改質方法−１」と同様に調整し、セメントの使用量は、水の使用量を考慮し、目的とする施工対象に応じて必要な強度が得られるように適宜調整する。

本発明のコンクリート硬化体は、以上のようにして得られるコンクリート組成物を養生硬化して製造できる。養生は、硬化体の用途に応じて、湿潤養生、常圧又は高圧蒸気養生等の公知の方法を必要に応じて選択できる。

本発明の再生骨材の改質方法を適用した水硬性組成物硬化体（例えばコンクリート硬化体）の強度は、従来技術のものに比べて向上される。これは、再生骨材改質材（結晶性シリカ粉末）、再生骨材およびセメントペーストとの反応により化学結合相が生成されるため（結晶性シリカ粉末は、再生骨材の表面に化学的に結合されている）と推定され、これらの反応は、再生骨材改質材に珪酸塩を含有させたときには、さらに促進されるものと推定される。

〔製造例〕
表１に示す割合で、結晶性シリカ粉末単独、又は結晶性シリカ粉末と珪酸塩に水道水（比重１．００）に添加して、スターラーで１０分間攪拌して、固形分２０重量％のスラリー状の再生骨材改質材を調製した。

結晶性シリカ粉末：結晶化度１００％、純度９９．５％以上
珪酸塩：珪酸ナトリウム：ＪＩＳ３号（日本化学工業製）
珪酸カリウム〔２Ｋ珪酸カリ（日本化学工業製）〕
結晶性シリカ粉末の純度：ＩＣＰ分析により得られた各元素濃度を酸化物に換算した。

〔コンクリート用材料〕
セメント（Ｃ）：普通ポルトランドセメント（太平洋セメント社），比重３．１６
細骨材（Ｓ）：君津産陸砂，粗粒率２．７６，比重２．６３
再生骨材（ＲＧ）：築約３０年の建築物の改築現場から採取したコンクリート塊をジョークラッシャー（（株）吉田製作所製）にて粉砕後、篩（４．７５ｍｍおよび９．５ｍｍのテラオカ製のふるいを使用。）で分級した（絶乾重量６００ｇ、絶乾密度２．２９ｇ／ｃｍ^３）。よって、表面積は、（６×600）／（0.7125cm×2.29g/cm^３）＝2206.4cm^２＝0.22064m^２である。表面水率０％に調整して使用した。

高性能減水剤（ＡＤ）：マイテイ３０００Ｓ（花王（株））
混練水（Ｗ）：再生骨材処理材中の水量、高性能減水剤の量および必要な水の合計量。

Ｗ／Ｃ：水／セメント比（重量％）
Ｗ／Ｐ：水／粉体比（重量％，粉体とは、セメントと混和材の総重量をいう）
〔測定方法〕
（１）結晶性シリカ粉末の結晶化度：
Ｘ線回折ハンドブック（理学電機（株）発行，１９９９年第２版，ｐ８３）に記載の「（２）ピーク分離による結晶化度算出方法」により求めた。

（２）結晶性シリカ粉末の平均粒径
（株）堀場製作所レーザー回折／散乱式粒度分布測定装置ＬＡ−７５０にて測定した。

（３）曲げ強度試験
（株）島津製作所ＣＯＮＣＲＥＴＯ２０００Ｗを用い、３点曲げ試験を行った（
応力速度０．０６Ｎ／ｍｍ^２・ｓｅｃ，ズパン１００ｍｍ，ｎ＝３の平均値）。

実施例１〜３
ミキサー〔万能混合攪拌機（ダルトン社製）〕に再生骨材と製造例の再生骨材改質材とを投入し、６３ｒ／minで、１分間攪拌した後、セメントを投入しさらに６３ｒ／minで１分間攪拌した。その後、細骨材および水を投入し、６３ｒ／minで、２分間攪拌してコンクリート組成物を得た。

実施例４、５
ミキサー〔万能混合攪拌機（ダルトン社製）〕に再生骨材と粉末の再生骨材改質剤を投入して、６３ｒ／minで１分間攪拌した。その後、細骨材および水を投入し、６３ｒ／minで、２分間攪拌してコンクリート組成物を得た。

比較例１
再生骨材、結晶性シリカ粉末、セメント、細骨材、水をまとめてミキサー〔万能混合攪拌機（ダルトン社製）〕に投入し、６３ｒ／minで、２分間攪拌してコンクリート組成物を得た。

試験例１
実施例および比較例で得られた製造直後のコンクリート組成物を、内寸法４０×４０×１６０ｍｍ^３の型枠に充填し、室温２０℃の環境で２４時間静置した後、型枠を外して、水温２０℃で水中養生を２８日間行った。測定結果を表１に示す。

Claims

結晶性シリカ粉末を含有する再生骨材改質材。
請求項１記載の再生骨材改質材と再生骨材を水の存在下で接触させる再生骨材の改質方法。
請求項１記載の再生骨材改質材および再生骨材を水の存在下で接触させ、さらにセメントを接触させる再生骨材の改質方法。
前記の水の量が、下記式で定義される再生骨材の表面水率を０％にするのに必要な水量（ｗ）に、再生骨材の見掛単位面積当たり０〜２５０ｇ／ｍ^２に相当する水量を加えた量である請求項２又は３記載の再生骨材の改質方法。
ｗ＝使用する再生骨材の重量(g)×使用する再生骨材の表面水率×（−１）÷100
請求項２〜４のいずれか記載の再生骨材の改質方法を適用して得られる改質再生骨材。
水、セメントおよび請求項５記載の改質再生骨材を含有するコンクリート組成物。
請求項６記載のコンクリート組成物を硬化して得るコンクリート硬化体。