JP5650925B2 - 高強度セメント組成物及び高強度セメント質硬化体 - Google Patents

Description

本発明は、高強度セメント組成物及び高強度セメント質硬化体に関するものである。

近年、超高層建築構造物等の用途に用いられるコンクリートとして、圧縮強度８０〜１２０Ｎ／ｍｍ^２又はそれ以上の超高強度コンクリートが実用化されている。このような超高強度コンクリートを製造するために、水結合材比を低下させるとともに、シリカフュームを混和材として使用してなるセメント組成物が提案されており（特許文献１参照）、これにより、ポゾラン反応を生じさせ、コンクリートの強度を向上させることができる。

しかしながら、特許文献１に記載のセメント組成物では、混和材として使用されるシリカフュームが超微粒子であるため、二次凝集を起こしやすく、コンクリート中でのシリカフュームの分散性が悪いという問題があった。

また、コンクリートにおける水結合材比を２５％以下にすると、流動性が低下してしまい、汎用ミキサでの混練が困難であるという問題もあった。そこで、コンクリートの流動性を向上させるために減水剤の添加率を上昇させると、コストアップや凝結遅延を招くという問題もあった。

このような問題を解決するために、従来、特定のポルトランドセメントと所定のシリカフュームとからなり、高強度かつ高ワーカビリティーを有するコンクリート等を簡便に製造することのできるセメント組成物が提案されている（特許文献２参照）。

特開平５−５８７０１号公報 特開２００８−８１３５７号公報

上記特許文献２に記載のセメント組成物から得られるコンクリート等は、十分な圧縮強度を発現することができ、かつ十分な流動性を有するものであるものの、より優れた流動性及び強度発現性を有するセメント組成物が望まれている。

特に、都市部における超高層建築構造物等の用途に使用される超高強度セメント組成物としては、より優れた流動性及び強度発現性を有するものが望まれている現状がある。

一般に、モルタルやコンクリートの強度を向上させるためには、水セメント比（水結合材比）を低下させることが考えられるが、上記特許文献２に記載のセメント組成物では、水セメント比を１５％以下にまで低下させると、コンクリートの粘性が上昇してしまい、流動性が低下してしまうという問題がある。流動性を向上させるために減水剤の添加量を増加させると、コストアップや凝結遅延が生じてしまい、上記特許文献１に記載のセメント組成物と同様の問題が生じてしまう。

そこで、上記のような問題点に鑑みて、本発明は、水結合材比を極めて低下させたとしても、高い流動性及び強度発現性を発揮することのできる高強度セメント組成物及び当該高強度セメント組成物を硬化させてなる高強度セメント質硬化体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、２ＣａＯ・ＳｉＯ_２含有量が３０〜６０質量％であって、３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３含有量が７質量％以下であるポルトランドセメントと、ＢＥＴ比表面積が５〜１５ｍ^２／ｇのポゾラン質微粉末と、石膏とを含むセメント組成物であって、前記組成物中に含まれる全石膏量が、ＳＯ_３換算で３．５〜６質量％であることを特徴とする高強度セメント組成物を提供する（発明１）。

上記発明（発明１）によれば、当該高強度セメント組成物から得られるモルタルやコンクリートの水結合材比（セメント組成物に対する水の質量比）を１７質量％以下、特に１５質量％以下としても、モルタルやコンクリートの粘性を上昇させることがなく、高い流動性を確保することができるため、ハンドリング性を優れたものとすることができ、かつ優れた強度発現性を発揮することができる。

なお、本発明において「セメント組成物」には、例えば、細骨材及び粗骨材を含まないセメント組成物；少なくとも細骨材を含み、粗骨材を含まないモルタル組成物；少なくとも細骨材及び粗骨材を含むコンクリート組成物等が含まれる。

上記発明（発明１）においては、前記ポゾラン質微粉末の含有量が、１２〜２１質量％であるのが好ましい（発明２）。かかる発明（発明２）によれば、ポゾラン質微粉末の含有量が上記範囲内であることで、高強度セメント組成物から得られるモルタルやコンクリートの水セメント比を１７質量％以下、特に１５質量％以下としても、より高い流動性を確保することができるとともに、高い強度発現性を発揮することができる。

上記発明（発明１，２）においては、前記組成物に対して９〜１７質量％の水が添加されてなるのが好ましい（発明３）。かかる発明（発明３）のように、水結合材比（セメント組成物に対する水の質量比）を極めて低下させることで、圧縮強度の極めて高いモルタルやコンクリート等を得ることができ、かつモルタルやコンクリート等の粘性を上昇させることがなく、高い流動性を確保することができる。

上記発明（発明１〜３）においては、前記高強度セメント組成物から得られるモルタル供試体における８５℃履歴養生後の圧縮強度が２１５Ｎ／ｍｍ^２以上であるのが好ましく（発明４）、前記高強度セメント組成物から得られるコンクリート供試体における８５℃履歴養生後の圧縮強度が２００Ｎ／ｍｍ^２以上であるのが好ましい（発明５）。

上記発明（発明４，５）に係る高強度セメント組成物によれば、圧縮強度が極めて高く、流動性に優れたモルタルやコンクリート等を得ることができる。

なお、本発明において「８５℃履歴養生」とは、モルタル供試体又はコンクリート供試体の材齢初期（２４時間）における供試体温度を８５℃とし、実際のコンクリート構造物の内部温度と同様の温度履歴をモルタル供試体又はコンクリート供試体に与えて行う養生を意味する。

また、本発明は、上記発明（発明１〜５）に係る高強度セメント組成物を硬化させてなることを特徴とする高強度セメント質硬化体を提供する（発明６）。かかる発明（発明６）によれば、圧縮強度の極めて高いセメント質硬化体（モルタル硬化体、コンクリート硬化体等）を提供することができる。

本発明によれば、水結合材比（セメント組成物に対する水の質量比）を極めて低下させたとしても、高い流動性及び強度発現性を発揮することのできる高強度セメント組成物及び当該高強度セメント組成物を硬化させてなる高強度セメント質硬化体を提供することができる。

実施例１〜４及び比較例１〜３のモルタル供試体のモルタルフロー及び２００ｍｍフロー到達時間を示すグラフである。 実施例及び比較例のモルタル供試体及びコンクリート供試体の養生条件である温度履歴を示すグラフである。 実施例１〜４及び比較例１〜３のモルタル供試体における８５℃履歴養生後の圧縮強度を示すグラフである。 実施例５〜１０のモルタル供試体における８５℃履歴養生後の圧縮強度を示すグラフである。 実施例１１〜１８のモルタル供試体における８５℃履歴養生後の圧縮強度を示すグラフである。 実施例１９〜２５のコンクリート供試体における８５℃履歴養生後の圧縮強度を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。
本実施形態に係る高強度セメント組成物は、所定の低発熱型ポルトランドセメント、ポゾラン質微粉末及び石膏を含むものである。

上記低発熱型ポルトランドセメントは、２ＣａＯ・ＳｉＯ_２（以下、「Ｃ_２Ｓ」という。）含有量が３０〜６０質量％のものである。Ｃ_２Ｓ含有量が３０質量％未満であると、所望の流動性を確保するのが困難となってしまい、６０質量％を超えると、初期の強度発現性が低下してしまう。

また、上記低発熱型ポルトランドセメントは、３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３（以下、「Ｃ_３Ａ」という。）含有量が７質量％以下、好ましくは５質量％以下のものである。Ｃ_３Ａ含有量が７質量％以下であることで、所望の流動性を確保することができる。

さらに、上記低発熱型ポルトランドセメントにおける３ＣａＯ・ＳｉＯ_２（Ｃ_３Ｓ）含有量は特に限定されないが、５０質量％以下であるのが好ましい。

なお、上記低発熱型ポルトランドセメントは、所定のポルトランドセメントクリンカと石膏との混合粉砕物であって、当該低発熱型ポルトランドセメントにおける石膏の含有量は、ＳＯ_３換算で３質量％以下である。

本実施形態に係る高強度セメント組成物中に含まれるポゾラン質微粉末としては、例えば、シリカフューム、シリカダスト、フライアッシュ、スラグ、火山灰、シリカゾル、沈降シリカ等が挙げられる。一般に、シリカフュームやシリカダストは、その平均粒径が１．０μｍ以下であり、高強度セメント組成物を調製するに際して粉砕等をする必要がなく、本実施形態におけるポゾラン質微粉末として好適に用いることができる。

ポゾラン質微粉末のＢＥＴ比表面積は、５〜１５ｍ^２／ｇであり、好ましくは７〜１３ｍ^２／ｇである。ＢＥＴ比表面積が５ｍ^２／ｇ未満であると、反応性が低下して初期強度発現が不十分になるおそれがあり、１５ｍ^２／ｇを超えると、流動性の低下を招くおそれがある。

高強度セメント組成物中におけるポゾラン質微粉末の配合割合は、９〜２４質量％であるのが好ましく、１２〜２１質量％であるのがより好ましく、１５〜１８質量％であるのが特に好ましい。ポゾラン質微粉末の配合割合が９質量％未満であると、低水結合材比（セメント組成物に対する水の質量比、例えば、１７％以下、特に１５％以下）の配合条件においてモルタルやコンクリート等の粘性が上昇し、流動性が低下してしまうおそれがあり、２４質量％を超えると、モルタルやコンクリート等の強度発現性が低下してしまうおそれがある。

本実施形態に係る高強度セメント組成物に含まれる石膏としては、例えば、無水石膏、半水石膏、二水石膏等が挙げられる。

高強度セメント組成物中における石膏の配合量は、高強度セメント組成物中の全石膏量がＳＯ_３換算で３．５〜６質量％、好ましくは３．５〜５質量％になるように、適宜決定すればよい。高強度セメント組成物中の全石膏量がＳＯ_３換算で３．５質量％未満では粘性が高くなり、また６質量％を超えると材料分離が生じやすくなる。その結果として、モルタルやコンクリート等の充填性が低下してしまう。

高強度セメント組成物中に含まれる低発熱型ポルトランドセメントには、上述したように、ＳＯ_３換算で３質量％以下の石膏が含まれる。したがって、高強度セメント組成物における低発熱型ポルトランドセメントの配合量に応じて、高強度セメント組成物中の全石膏量が上記範囲（ＳＯ_３換算で３．５〜６質量％）になるように石膏を配合すればよい。言い換えれば、本実施形態に係る高強度セメント組成物中における低発熱型ポルトランドセメントに由来する石膏量と、添加する石膏量との合計含有量（ＳＯ_３換算量）が、３．５〜６質量％であればよい。

本実施形態に係る高強度セメント組成物は、水及び細骨材、並びに所望により粗骨材や各種混和剤を配合して混練し、硬化させることで高強度セメント質硬化体を得ることができる。

上記水の配合量（水結合材比）は、高強度セメント組成物の全量に対して９〜１７質量％であるのが好ましく、９．５〜１５質量％であるのがより好ましい。水結合材比が９質量％未満であると、所望の流動性を確保するために減水剤の添加率を増加させる必要があり、それによりコストアップや凝結遅延が生じるおそれがある。また、１７質量％を超えると、得られるセメント質硬化体の圧縮強度が低下するおそれがある。

本実施形態において使用し得る細骨材としては、特に限定されず、川砂、山砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂等の砂系細骨材；各種スラグ細骨材；各種軽量細骨材；各種重量細骨材；再生細骨材又はこれらの混合物等を用いることができる。

本実施形態において所望により配合され得る粗骨材としては、特に限定されるものではなく、砂利、砕石、各種軽量粗骨材、各種重量粗骨材、各種スラグ粗骨材、再生粗骨材又はこれらの混合物等を用いることができる。

また、本実施形態において所望により配合され得る各種混和剤としては、特に水の配合量を極めて少なくし（９〜１７質量％、特に９．５〜１５質量％）、かつ所定のフロー（モルタルフロー、スランプフロー等）を確保するために、減水剤を用いるのが好ましい。なお、減水剤の配合量は、所定のフローを確保し得るように適宜決定すればよい。

当該減水剤としては、例えば、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、高性能ＡＥ減水剤等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

本実施形態に係る高強度セメント組成物は、当該組成物から得られるモルタル供試体における８５℃履歴養生後の圧縮強度（ＪＩＳ−Ａ１１０８に準拠して測定）が２１５Ｎ／ｍｍ^２以上であるのが好ましく、２２０Ｎ／ｍｍ^２以上であるのがより好ましく、特に２２５Ｎ／ｍｍ^２以上であるのが好ましい。また、当該組成物から得られるコンクリート供試体における８５℃履歴養生後の圧縮強度（ＪＩＳ−Ａ１１０８に準拠して測定）が２００Ｎ／ｍｍ^２以上であるのが好ましく、特に２１０Ｎ／ｍｍ^２以上であるのが好ましい。このように、本実施形態に係る高強度セメント組成物であれば、得られるセメント質硬化体において優れた強度発現性を発揮することができる。

また、本実施形態に係る高強度セメント組成物は、当該高強度セメント組成物から得られるモルタルのモルタルフロー２００ｍｍ到達時間が２．５〜３．５秒であり、優れた流動性を発揮することができる。

上述した本実施形態に係る高強度セメント組成物は、水の配合量を低下させたとしても（高強度セメント組成物に対して９〜１７質量％、特に９．５〜１５質量％）、減水剤の添加率を増加させることなく優れた流動性を発揮することができるとともに、当該高強度セメント組成物から得られるセメント質硬化体は、極めて優れた圧縮強度を発現することができる。したがって、本実施形態に係る高強度セメント組成物は、特に超高層建築構造物用コンクリート等として好適に用いることができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実施例等に何ら限定されるものではない。

〔実施例１〜４，比較例１〜３〕
中庸熱ポルトランドセメントＣ（太平洋セメント社製，ブレーン比表面積：３．２１ｃｍ^２／ｇ，Ｃ_２Ｓ含有量：３６質量％，Ｃ_３Ａ含有量：４質量％）、シリカフュームＳＦ（ＢＥＴ比表面積：１０．１ｍ^２／ｇ）、無水石膏ＡＧ、細骨材Ｓ（砕砂，密度：２．５６ｇ／ｃｍ^３、吸水率：１．３０％）、高性能減水剤ＳＰ（ＢＡＳＦポゾリス社製，製品名：ＳＰ−８ＨＵ）及び水Ｗ（水道水）を材料として用い、表１に示す配合に従って、モルタル組成物（実施例１〜４，比較例１〜３）を作製した。

なお、表１中、ＳＯ_３量（質量％）は、セメント組成物Ｂ（中庸熱ポルトランドセメントＣ、シリカフュームＳＦ及び無水石膏ＡＧ）中における全石膏量（ＳＯ_３換算）の質量比を表し、ＳＦ配合比（質量％）は、セメント組成物Ｂの質量に対するシリカフュームＳＦの質量比を表し、Ｗ／Ｂ（質量％）は、セメント組成物Ｂの質量に対する水Ｗの質量の比（水結合材比）を表すものである。また、各モルタル組成物（実施例１〜４，比較例１〜３）において、ＪＩＳ−Ｒ５２０１に準拠して測定されるモルタルフローが２８０ｍｍ±１０ｍｍになるように、高性能減水剤ＳＰの配合量を調整した。

［２００ｍｍフロー到達時間の測定］
上述のようにして得られたモルタル組成物（実施例１〜４、比較例１〜３）について、ＪＩＳ−Ｒ５２０１に準拠してモルタルフローを測定するに際し、スランプコーンを完全に引き上げてから、モルタルフローが２００ｍｍに到達するまでの時間（２００ｍｍフロー到達時間（ｓｅｃ））を測定した。
結果を表２及び図１に示す。

表２及び図１に示すように、セメント組成物中の全石膏量（ＳＯ_３換算量）が３．５〜６質量％となるように石膏を添加してなる実施例１〜４のモルタル組成物は、モルタルフローを同様に設定した比較例１〜３のモルタル組成物に比して２００ｍｍフロー到達時間が極めて短時間であり、流動性に優れることが判明した。

［圧縮強度の測定］
上述のようにして得られたモルタル組成物（実施例１〜４、比較例１〜３）について、ＪＩＳ−Ａ１１０８に準拠して圧縮強度を測定した。なお、モルタル組成物の養生条件は、図２に示すような温度履歴を示す８５℃履歴養生により行った。
結果を表３及び図３に示す。

表３及び図３に示すように、実施例１〜４のモルタル組成物は、８５℃履歴養生後の圧縮強度が２３０Ｎ／ｍｍ^２以上であり、比較例１〜３のモルタル組成物に比して優れた強度発現性を有することが判明した。このように、セメント組成物中の全石膏量がＳＯ_３換算で３．５〜６質量％になるように石膏を配合することで、強度発現性及び流動性に優れたセメント組成物とすることができることが確認された。

〔実施例５〜１０〕
実施例１〜４及び比較例１〜３と同一の材料を用い、表４に示す配合に従って、モルタル組成物（実施例５〜１０）を作製した。各モルタル組成物（実施例５〜１０）における高性能減水剤ＳＰの配合量は、実施例２のモルタル組成物における高性能減水剤の配合量と同一にした。

なお、表４中、ＳＦ配合比（質量％）は、セメント組成物Ｂ（中庸熱ポルトランドセメントＣ、シリカフュームＳＦ及び無水石膏ＡＧ）の質量に対するシリカフュームＳＦの質量比を表し、ＳＯ_３量（質量％）は、セメント組成物Ｂ中における全石膏量（ＳＯ_３換算）の質量比を表し、Ｗ／Ｂ（質量％）は、セメント組成物Ｂの質量に対する水Ｗの質量の比（水結合材比）を表すものである。

［圧縮強度の測定］
上述のようにして得られたモルタル組成物（実施例５〜１０）について、ＪＩＳ−Ａ１１０８に準拠して圧縮強度を測定した。なお、モルタル組成物の養生条件は、図２に示すような温度履歴を示す８５℃履歴養生により行った。
結果を表５及び図４に示す。

表５及び図４に示すように、セメント組成物中のシリカフュームの配合比を９〜２４質量％とすることで、８５℃履歴養生後において高い圧縮強度を発現することができ、シリカフュームの配合比を１２〜２１質量％とすることで（実施例６〜９）、８５℃履歴養生後において２２０Ｎ／ｍｍ^２以上と高い圧縮強度を発現し得ることが判明し、特にシリカフュームの配合比を１５〜１８質量％とすることで（実施例７，８）、８５℃履歴養生後において２２５Ｎ／ｍｍ^２以上と極めて高い圧縮強度を発現し得ることが判明した。

〔実施例１１〜１８〕
実施例１〜４及び比較例１〜３と同一の材料を用い、表６に示す配合に従って、モルタル組成物（実施例１１〜１８）を作製した。各モルタル組成物（実施例１１〜１８）において、ＪＩＳ−Ｒ５２０１に準拠して測定されるモルタルフローが２８０ｍｍ±１０ｍｍになるように、高性能減水剤の配合量を調整した。

なお、表６中、ＳＦ配合比（質量％）は、セメント組成物Ｂ（中庸熱ポルトランドセメントＣ、シリカフュームＳＦ及び無水石膏ＡＧ）の質量に対するシリカフュームＳＦの質量比を表し、ＳＯ_３量（％）は、セメント組成物Ｂ中における全石膏量（ＳＯ_３換算）の質量比を表し、Ｗ／Ｂ（質量％）は、セメント組成物Ｂの質量に対する水Ｗの質量の比（水結合材比）を表すものである。

［圧縮強度の測定］
上述のようにして得られたモルタル組成物（実施例１１〜１８）について、ＪＩＳ−Ａ１１０８に準拠して圧縮強度を測定した。なお、モルタル組成物の養生条件は、図２に示すような温度履歴を示す８５℃履歴養生により行った。
結果を表７及び図５に示す。

表７及び図５に示すように、水結合材比を９〜１７％とすることで、８５℃履歴養生後において２１５Ｎ／ｍｍ^２以上の高い圧縮強度を発現し得ることが判明し、１０〜１５％（実施例１２〜１７）とすることで、２２０Ｎ／ｍｍ^２以上の高い圧縮強度を発現し得ること、特に１１〜１４％（実施例１３〜１６）とすることで、極めて高い圧縮強度を発現し得ることが判明した。

以上の結果から、Ｃ_２Ｓ含有量が３０〜６０質量％、Ｃ_３Ａ含有量が７質量％以下であるポルトランドセメント、シリカフューム等のポゾラン質微粉末及び石膏を含むセメント組成物中の全石膏量をＳＯ_３換算で３．５〜６質量％とすることで、優れた流動性及び強度発現性を発揮することが判明した。また、シリカフューム等のポゾラン質微粉末の配合比をセメント組成物中１５〜１８質量％とすることで、特に優れた強度発現性を発揮し得ることが判明した。さらに、水結合材比を１０〜１５質量％とすることで、極めて優れた強度発現性を発揮し得ることが判明した。

〔実施例１９〜２５〕
実施例１〜４及び比較例１〜３と同一の材料を用い、さらに粗骨材Ｇ（砕石，密度：２．６４ｇ／ｃｍ^３，実績率：５９％，粗骨材最大粒径：１０ｍｍ）を用いて、表８に示す配合に従って、コンクリート組成物（実施例１９〜２５）を作製した。各コンクリート組成物（実施例１９〜２５）において、ＪＩＳ−Ａ１１５０に準拠して測定されるスランプフローが７２５ｍｍ±１００ｍｍになるように、高性能減水剤の配合量を調整した。

なお、表８中、ＳＦ配合比（質量％）は、セメント組成物Ｂ（中庸熱ポルトランドセメントＣ、シリカフュームＳＦ及び無水石膏ＡＧ）の質量に対するシリカフュームＳＦの質量比を表し、ＳＯ_３量（％）は、セメント組成物Ｂ中における全石膏量（ＳＯ_３換算）の質量比を表し、Ｗ／Ｂ（質量％）は、セメント組成物Ｂの質量に対する水Ｗの質量の比（水結合材比）を表すものである。

［圧縮強度の測定］
上述のようにして得られたコンクリート組成物（実施例１９〜２５）について、ＪＩＳ−Ａ１１０８に準拠して圧縮強度を測定した。なお、コンクリート組成物の養生条件は、図２に示すような温度履歴を示す８５℃履歴養生により行った。
結果を表９及び図６に示す。

表９及び図６に示すように、水結合材比を９〜１３％とすることで、８５℃履歴養生後において２００Ｎ／ｍｍ^２以上の高い圧縮強度を発現し得ることが判明し、特に９．５〜１２％（実施例２０〜２４）とすることで、極めて高い圧縮強度を発現し得ることが判明した。

本発明の高強度セメント組成物及び高強度セメント質硬化体は、超高層建築構造物用の超高強度コンクリート等として有用である。

Claims (5)

1. ２ＣａＯ・ＳｉＯ_２含有量が３０〜６０質量％であって、３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３含有量が７質量％以下であるポルトランドセメントと、ＢＥＴ比表面積が５〜１３ｍ^２／ｇのポゾラン質微粉末と、石膏とからなる高強度セメント組成物であって、
   前記組成物中に含まれる全石膏量が、ＳＯ_３換算で４〜６質量％であり、前記ポゾラン質微粉末の含有量が、９〜２４質量％であることを特徴とする高強度セメント組成物。
2. 前記組成物に対して９〜１７質量％の水が添加されて用いられることを特徴とする請求項１に記載の高強度セメント組成物。
3. 前記高強度セメント組成物から得られるモルタル供試体における８５℃履歴養生後の圧縮強度が２１５Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高強度セメント組成物。
4. 前記高強度セメント組成物から得られるコンクリート供試体における８５℃履歴養生後の圧縮強度が２００Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高強度セメント組成物。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の高強度セメント組成物を硬化させてなることを特徴とする高強度セメント質硬化体。

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