JP4550542B2

JP4550542B2 - セメント組成物およびそれを用いたセメント硬化体

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Publication number: JP4550542B2
Application number: JP2004294396A
Authority: JP
Inventors: 勉木田; 一裕相澤
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2024-10-07
Also published as: JP2006104026A

Description

本発明は、セメント、中空微小球を主体とする耐久性向上材、減水剤、シリカフューム及び／又は20μ以下に分級したフライアッシュを含有してなるセメント組成物およびそれを用いたセメント硬化体に関する。

本発明のセメントコンクリートは、モルタルやコンクリートを総称するものである。
なお、本発明における部や％は特に規定しない限り質量基準で示す。

近年、コンクリート構造物は、多量のセメントなどが使用され、経年劣化が顕在化するのに伴い、ライフサイクルを考慮した、耐久性、高強度、及び高流動性が求められている(非特許文献１参照)。

一方、寒冷地においては、凍結融解作用による劣化を防ぐ方法として、微細な連行空気を容積で３〜６％導入して、初期養生を充分にすることが行われている(非特許文献２参照)。
しかしながら、微細な連行空気を所定量導入して硬化体を得るには、不安定要因を多く生じ、構造物の美観や耐久性を損なう場合があった。

この不安定要因としては、一般的には、配合の相違によるセメント量、指定スランプの大小、混練り時間、ミキサ形式、並びに、温度の、骨材粒度の、及び骨材に含有する泥分の日内変動や季節内の変動の他に、界面活性剤類や増粘剤の連行空気を押えるための消泡剤、ミキサに使用されるグリス類、及び油類の混入等が挙げられる。
これら不安定要因が原因で連行空気量が変動し、その調整のためにＡＥ剤の使用量を増減し、連行空気量を３〜６％の所定量導入する作業が行われている。
所定の連行空気量が得られないと充分な耐久性が得られないが、必要以上の連行空気量は、空気量に比例して強度低下や美観の低下を生じ、乾燥収縮量が増加する傾向がある。
そのため、生コンプラントやコンクリート二次製品製造プラントでは、日に何度か空気量を確認し、調整を行なっているが、これら不安定要因の日内変動や月内変動が大きな場合があり、大変な労力を必要としている。

また、耐久性を解決するために空気量をコントロールし、中空微小球を混和する方法が提案されている(特許文献１参照)。

従来の空気量を連行する方法は、上記不安定要因がある以外に材料特性に課題が残るものである。
即ち、フライアッシュ中に含まれる未燃焼カーボンが、ＡＥ剤に吸着するため、連行空気量が減少し、専用のＡＥ剤を使用しなければならない、ＡＥ剤の使用量を増減しなければならないなどの対策が必要となり、対応が複雑となる。

一方、シリカフュームを用いたコンクリートの耐凍害性については、シリカフュームのマイクロフィラー効果とポゾラン反応により、細孔は小さな径に移行し、細孔容積は減少し硬化体組織が緻密になる結果、凍結水量の減少、凍結温度の低下など、耐凍害性はプラスの面がある。
しかしながら、その反面、硬化体組織が緻密になる結果、凍結膨張圧が高まりやすくなるマイマスの面もあり、ＡＥ剤による良質な連行空気量の確保が期待されている（非特許文献３参照）。

また、水結合材比が小さくなると、コンクリートの配合上の結合材が多くなることになり、連行空気量が入りずらくなったり、高性能減水剤の使用量が増え、安定した空気量が得にくくなる傾向があった。

特開平０８−１８８４５８号公報セメント・コンクリートNo.538 Dec. 1991 セメント・コンクリート用混和材料、笠井芳夫、小林正几編、昭和61年５月15日、技術書院発行、第234〜243頁シリカフュームを用いたコンクリートの設計・施工指針案土木学会平成７年10月14日発行、第７頁

従来の空気量を連行する方法では、目標とする安定した空気量を得るには、通常以上に管理に費用と時間が必要になり、連行空気量が多すぎた場合、強度低下が大きくなる。特に高強度コンクリートにおいて影響が大きくなるなどの課題があった。
本発明者は、特定のセメント組成物を使用することによって前記課題が解消できるという知見を得て、本発明を完成するに至った。

本発明は、セメント、中空微小球を主体とする耐久性向上材、シリカフューム及び／又は20μ以下に分級したフライアッシュ、並びに、減水剤を含有してなり、セメント100部に対して、該耐久性向上材が固形分換算で0.01〜５部、シリカフュームが３〜35部又は該フライアッシュが５〜35部で、セメントとシリカフューム又は該フライアッシュの合計100部に対して、減水剤が0.2〜５部であるセメント組成物中のセメントとシリカフューム及び／又は20μ以下に分級したフライアッシュからなる結合材100部に対して、水15〜35部とを含有してなるセメントコンクリートであり、さらに、結合材100部に対して、消泡剤１部以下を含有してなるセメント組成物である該セメントコンクリートであり、該セメントコンクリートを用いてなるセメント硬化体であり、圧縮強度が72.5N/mm ² 以上、300サイクルの相対的動弾性係数比92以上である該セメント硬化体であり、セメント、中空微小球を主体とする耐久性向上材、シリカフューム及び／又は20μ以下に分級したフライアッシュ、並びに減水剤を含有してなり、セメント100部に対して、該耐久性向上材が固形分換算で0.01〜５部、シリカフューム及び／又は20μ以下に分級したフライアッシュがそれぞれ３〜35部で、セメントとシリカフューム及び／又は20μ以下に分級したフライアッシュの合計100部に対して、減水剤が0.2〜５部であるセメント組成物中のセメントとシリカフューム及び／又は20μ以下に分級したフライアッシュからなる結合材100部に対して、水15〜35部とを含有してなるセメントコンクリートの配合を用い、セメント、耐久性向上材、シリカフューム及び／又は20μ以下に分級したフライアッシュ、細骨材、及び粗骨材をミキサに投入し空練りした後、コンクリートのスランプフローを減水剤を混合して調整し、水と消泡剤を投入後練り混ぜて得られるセメントコンクリートを用いた圧縮強度が72.5N/mm ² 以上、300サイクルの相対的動弾性係数比92以上のセメント硬化体の製造方法である。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明で使用するセメントとしては、低熱、普通、早強、及び超早強等の各種ポルトランドセメント、これらのポルトランドセメントに、高炉スラグやフライアッシュなどを混合した各種混合セメント、並びに、エコセメントなどが使用可能である。
本発明において、セメント使用量は、セメントコンクリートの配合等により異なるが、300〜1,000kg/m³が好ましい。300kg/m³未満では混練後の成形ができない場合があり、1,000kg/m³を超えると作業性が得られない場合や、水和発熱や乾燥収縮によるひび割れを生じる場合がある。

本発明では中空微小球を主体とする耐久性向上材を使用する。

中空微小球は、連行空気の代わりに耐久性を向上させるもので、密度10〜50g/m³と軽い、高分子球形弾性体からできており、その材質は、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、塩化ビニリデン、及びポリフェノールなどがあり、共重合物や架橋体であっても特に限定されるものではない。通常、例えば、固形分が15％の軽量粉体である。
中空微小球の径は、300μｍ以下が好ましく、100μｍ以下がより好ましい。径が300μｍを超えると使用量が同じでも強度の低下が大きい場合や耐久性が得られない場合がある。

耐久性向上材の使用量は、セメント100部に対して、固形分換算で0.01〜５部であり、0.02〜３部が好ましい。0.01部未満では耐久性が得られない場合があり、５部を超えると強度の低下が大きくなり、耐久性の向上が頭打ちになる場合がある。

本発明で使用するシリカフュームとは、金属シリコンやフェロシリコンなどのシリコンアロイや、酸化ジルコニウムを電気炉で製造する際に副生し、その廃ガス中のダストを集塵し得られる微粒子である。その粒径は１μ以下であり、形状は球形である。非晶質の二酸化珪素が主成分で、その含有率は製造方法等により異なり70〜98％である。非晶質の二酸化珪素の含有率が高いほど反応性が高いため、その含有率が高いものが好ましい。
シリカフュームを用いることにより、マイクロフィラー効果による単位水量の減少やポゾラン反応による高強度化、塩害防止、ポンプ圧送における加圧時の水の分離の減少による閉塞の改善がなされる。
シリカフュームの粉末度は、凝集していない１次粒子状態で、ＢＥＴ比表面積値15〜25m²/gが好ましい。
シリカフュームの使用量は、セメント100部に対して、３〜35部であり、５〜20部が好ましい。３部未満では耐久性向上効果が少ない場合があり、35部を超えるとプラステイックひび割れの発生や強度改善効果が得られない場合がある。

本発明で使用するフライアシュとは、石炭火力発電所等における微粉炭燃焼ボイラの燃焼ガスから集塵し得られる微粒子アッシュであり、粒径100μ以下の中空粒子を含む球形粒子から、20μ以下に分級することによって得られるもので、大きな中空の粒子が取り除かれ、良球形で中空のない粒子である。
フライアシュは、流動性の改善、単位水量の減少、長期強度の増進、及び水和熱の減少効果がある。
本発明で使用するフライアッシュは、JIS A 6201付属書２に規定される、フライアシュの活性度指数が、材齢28日で80％以上、フロー比95％以上のものがより好ましい。
フライアシュの使用量は、セメント100部に対して、５〜35部であり、５〜20部が好ましい。５部未満では流動性の改善や単位水量の減少減効果が少ない場合があり、35部を超えると強度改善効果得られない場合がある。

減水剤としては、高性能減水剤、及び高性能ＡＥ減水剤が本発明で使用可能である。
高性能減水剤は、コンクリート二次製品製造用のモルタル又はコンクリートに使用されるもので、縮合メラミンスルホン酸塩、縮合芳香族スルホン酸塩、及びポリカルボン酸塩等が挙げられる。
また、高性能ＡＥ減水剤は、高性能減水剤に比べてスランプ保持性能が優れ、高強度コンクリート、高流動コンクリート、及び高耐久性コンクリートなどに使用されるもので、ポリカルボン酸エーテル、架橋ポリマー、配向ポリマー、ポリエーテルカルボン酸、マレイン酸共重合物、マレイン酸エステル共重合物、マレイン酸誘導体共重合物末端スルホン基を有するカルボキシル基含有多元ポリマー、及びポリカルボン酸グラフトコポリマー又はそれらが複合されたものがある。
減水剤の使用量は、セメント、シリカフューム、及び20μ以下に分級したフライアッシュムからなる結合材100部に対して、0.2〜５部である。0.2部未満では、所定のフレッシュ性状やその保持が難しく、５部を超えると材料分離や凝結遅延が生じる場合がある。

本発明で使用する消泡剤としては、一般的に使用されるもので、主成分の化学構造より分類すると、ポリアルキレングリコールエステルなどのポリエステル系、ポリアルキレングリコール誘導体等のグリコール系、ジメチルシリコーンを主成分とするシリコーン系、トリブチルフォスフェートなどのリン系、硫酸化脂肪酸系、及び油溶系ポリマーなどが挙げられる。
消泡剤は、コンクリートに連行される空気を消泡できれば品種は特に限定されるものではない。
消泡剤の使用量は、コンクリートに連行される空気量により変動し、結合材100部に対して、１部以下が好ましい。１部を超えて使用してもそれ以上の消泡効果が得られにくい。
空気量の減少は、乾燥収縮量、中性化速度の減少、及び強度増加を生じる。そのため、所定の中空微小球が使用される場合は、空気量は少ない方が好ましい。

水の使用量は、セメント、シリカフューム、及び該フライアッシュからなる結合材100部に対して、15〜35部が好ましく、20〜30部がより好ましい。15部未満では、作業性が悪くなり、使用材料により練り混ぜが困難な場合があり、35部を超えると乾燥収縮やブリーディングが多くなったり、高強度や高耐久性が得られない場合がある。

本発明において、耐久性向上材として中空微小球を使用した場合、中空微小球の密度が10〜50g/m³と軽いため、分離や偏析がなければ、各材料の混合方法は特に限定されるものではなく、それぞれの材料を施工時に混合しても良いし、あらかじめ一部を、あるいは全部を混合しておいても差し支えない。

混合装置としては、耐久性向上材として中空微小球を使用した場合、中空微小球が均一に分散できれば、既存のいかなる装置も使用可能であり、例えば、傾胴ミキサ、オムニミキサ、ヘンシェルミキサ、Ｖ型ミキサ、及びナウタミキサなどの使用が可能である。

本発明のセメント組成物を使用したセメント硬化体は、安定した圧縮強度が得られ、凍結融解抵抗性の高いものとなった。

セメント100部、表１に示す固形分換算の耐久性向上材Ａとシリカフューム、さらに、セメントとシリカフュームの合計100部に対して、細骨材160部、粗骨材242部、及び水35部のコンクリート配合を用い、セメント、耐久性向上材Ａ、シリカフューム、細骨材、及び粗骨材を２軸ミキサに投入し、15秒間空練りし、その後、コンクリートのスランプフローが50cmになるように減水剤イを混合した水を投入後、90秒間練り混ぜ、コンクリートを調製した。
調製したコンクリートを用い、空気量、圧縮強度、及び相対的動弾性係数比を測定した。結果を表１に併記する。
比較のため、耐久性向上材を使用しないでＡＥ剤を使用し、連行空気量を4.0％に調整したコンクリートを調製し同様に試験を行った。結果を表１に併記する。

＜使用材料＞
セメントα：普通ポルトランドセメント、太平洋セメント社、住友大阪セメント社、及び宇部三菱セメント社の普通ポルトランドセメントの等量混合品
細骨材：川砂、５mm下、密度2.58g/cm³
粗骨材：砕石、20mm下、密度2.68g/cm³
耐久性向上材Ａ：中空微小球、塩化ビニリデン、粒径40μｍ、固形分15％
シリカフューム：密度2.20g/cm³、比表面積値20m²/g
減水剤イ：高性能ＡＥ減水剤、主成分ポリカルボン酸エーテルと配向ポリマーの複合体、市販品
ＡＥ剤：変性アルキルカルボン酸系陰イオン界面活性剤、市販品

＜測定方法＞
空気量：JIS A 1128 フレッシュコンクリートの空気量の圧力による試験方法、空気室圧力方法
圧縮強度：JIS A 1132「コンクリートの強度用供試体の作り方」とJIS A 1108「コンクリートの圧縮強度試験方法」に準じ測定
相対的動弾性係数比：凍結融解試験で、JIS A 1148「コンクリートの凍結融解試験方法」のＡ法水中凍結水中融解試験方法に準じて測定

セメント100部に対して、表２に示す耐久性向上材Ａとフライアシュを用いたこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表２に併記する。

＜使用材料＞
フライアッシュ：四国電力社産、20μ以下に分級したもの、密度2.44g/cm³

セメント100部に対して、耐久性向上材Ａを固形分換算で0.7部、表３に示すシリカフュームとフライアシュを用いたこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表３に併記する。

セメント100部に対して、耐久性向上材Ａを固形分換算で0.7部、表４に示すシリカフュームとフライアシュ、並びに、セメント、シリカフューム、及びフライアシュからなる結合材100部に対して、表４に示す消泡剤ａを用いたこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表４に併記する。

＜使用材料＞
消泡剤ａ：ジメチルシリコーン、市販品

表５に示すコンクリート配合を用い、セメントβと、セメントβ100部に対して、耐久性向上材Ｂを固形分換算で0.5部、及び表５に示すシリカフュームとフライアシュ、並びに、結合材100部に対して、消泡剤ｂ0.5部を用い、セメント、耐久性向上材Ｂ、シリカフューム、フライアシュ、細骨材、及び粗骨材をミキサに投入し、30秒間空練りし、その後、コンクリートのスランプフローが50〜60cmとなるように減水剤ロを混合した表５に示す量の水と、消泡剤ｂとを混合し、180秒間混練し、コンクリートを調製したこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表５に併記する。
比較のため、耐久性向上材と消泡剤を使用しないで、ＡＥ剤を使用し、空気量５％のコンクリートを調製し、同様に実験を行った。結果を表５に併記する。

＜使用材料＞
セメントβ：低熱セメント
耐久性向上材Ｂ：中空微小球、塩化ビニリデン、粒径60μｍ、固形分15％
消泡剤ｂ：ポリアルキレングリコール誘導体、市販品
減水剤ロ：高性能減水剤、主成分ポリカルボン酸エーテル系、市販品

本発明のセメント組成物を使用した硬化体は、建築構造物や土木構造物等で用いられるセメントコンクリートにおいて、優れた耐久性を有し、高強度を発揮すること、さらに、通常の連行空気量を確保する方法に比べ、諸条件によって変動を起こさないため、セメントコンクリート構造物の強度が安定し、耐久性のあるセメントコンクリートが容易に製造することが可能となった。

Claims

セメント、中空微小球を主体とする耐久性向上材、シリカフューム及び／又は20μ以下に分級したフライアッシュ、並びに減水剤を含有してなり、セメント100部に対して、該耐久性向上材が固形分換算で0.01〜５部、シリカフューム及び／又は20μ以下に分級したフライアッシュがそれぞれ３〜35部で、セメントとシリカフューム及び／又は20μ以下に分級したフライアッシュの合計100部に対して、減水剤が0.2〜５部であるセメント組成物中のセメントとシリカフューム及び／又は20μ以下に分級したフライアッシュからなる結合材100部に対して、水15〜35部とを含有してなるセメントコンクリート。
さらに、結合材100部に対して、消泡剤１部以下を含有してなるセメント組成物であることを特徴とする請求項１に記載のセメントコンクリート。
請求項１又は請求項２に記載のセメントコンクリートを用いてなるセメント硬化体。
請求項２に記載のセメントコンクリートを用いてなる、圧縮強度が72.5N/mm ² 以上、300サイクルの相対的動弾性係数比92以上であるセメント硬化体。
セメント、中空微小球を主体とする耐久性向上材、シリカフューム及び／又は20μ以下に分級したフライアッシュ、並びに減水剤を含有してなり、セメント100部に対して、該耐久性向上材が固形分換算で0.01〜５部、シリカフューム及び／又は20μ以下に分級したフライアッシュがそれぞれ３〜35部で、セメントとシリカフューム及び／又は20μ以下に分級したフライアッシュの合計100部に対して、減水剤が0.2〜５部であるセメント組成物中のセメントとシリカフューム及び／又は20μ以下に分級したフライアッシュからなる結合材100部に対して、水15〜35部とを含有してなるセメントコンクリートの配合を用い、セメント、耐久性向上材、シリカフューム及び／又は20μ以下に分級したフライアッシュ、細骨材、及び粗骨材をミキサに投入し空練りした後、コンクリートのスランプフローを減水剤を混合して調整し、水と消泡剤を投入後練り混ぜて得られるセメントコンクリートを用いた圧縮強度が72.5N/mm ² 以上、300サイクルの相対的動弾性係数比92以上のセメント硬化体の製造方法。