JP2005289694A

JP2005289694A - コンクリート成形品及びその製造方法

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Publication number: JP2005289694A
Application number: JP2004104788A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Abiko; 春彦安孫子; Taku Mita; 卓三田; Tetsuya Ando; 哲也安藤; Kenji Yamamoto; 賢司山本
Original assignee: Misawa Homes Co Ltd; Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Misawa Homes Co Ltd; Denka Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP4431432B2

Abstract

【課題】低いエネルギーコストで高強度かつ高耐熱性を有するコンクリート成形品の製造方法を提供すること。
【解決手段】ポルトランドセメントと、石英及び溶融シリカを含む珪砂と、水とを混練してスラリー１を製造し、このスラリー１を型枠２に流し込み、さらに、スラリー１をオートクレーブ養生する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポルトランドセメント、珪砂及び水を混練したスラリーを用いたコンクリート成形品の製造方法及びその製造方法で製造されたコンクリート成形品に関する。

従来より、建築・土木用資材等で軽量気泡コンクリート（ＡＬＣ）、その他のコンクリート成形品が使用されている。
このコンクリート成形品を製造するため、一般に、ポルトランドセメント、珪砂としてのα-quartz（石英）、水、及び添加剤を混練してスラリーを製造し、このスラリーを型枠に流し込み、さらに、このスラリーを養生することで行われている。養生する工程としては、高温・高圧蒸気下で行うオートクレーブ養生が含まれる。

コンクリート成形品では、高強度で高耐熱性が要求されるが、この要求を満たすには、成形品に板状結晶性トバモライトが生成されることが必要である。
従来のコンクリート成形品では、珪砂としてα-quartzが使用されており、かつ、他に繊維等の添加剤も添加されているため、板状結晶性トバモライトが生成されるには、オートクレーブ養生の温度を１８０℃以上の高温としなければならない。
オートクレーブ養生を高温で行うには、エネルギー(燃料)を多く必要とするため、そのコストも高いものになっている。

本発明の目的は、低いエネルギーコストで高強度かつ高耐熱性を有するコンクリート成形品及びその製造方法を提供することにある。

本発明のコンクリート成形品の製造方法は、ポルトランドセメントと、石英及び溶融シリカを含む珪砂と、水とを混練してスラリーを製造し、このスラリーを型枠に流し込み、さらに、前記スラリーをオートクレーブ養生することを特徴とする。

ここで、前記ポルトランドセメントと珪砂との混合比は、適宜な値とされるが、例えば、６：４である。
さらに、水と、ポルトランドセメント及び珪砂を含む粉体との混合比は、適宜な値とされるが、例えば、３：７〜５：５である。
この構成の発明では、成形品に板状結晶性トバモライトが生成されるために、珪砂として石英（例えば、α-quartz）だけでなく溶融シリカ（ＦＳ）を含むため、実験によれば、珪砂としてα-quartzのみ含む従来例が１８０℃以上の温度でオートクレーブ養生しなければならないのに対して、本発明では、１７０℃程度でのオートクレーブ養生で板状結晶性トバモライトの生成が可能となった。
そのため、従来に比べてオートクレーブ養生での温度が低くても、コンクリート成形品において板状結晶性トバモライトの生成が可能となるから、エネルギーコストを低いものにできる。

本発明では、前記石英は粒径6000〜10000ｃｍ^２／ｇである構成が好ましく、8000ｃｍ^２／ｇが最も好ましい。
石英の粒径が6000ｃｍ^２／ｇ未満であると、板状結晶性トバモライトの生成が少なく、10000ｃｍ^２／ｇを超えても、同様の結果になる。
さらに、前記石英及び溶融シリカとは重量比が略５０％：５０％である構成が好ましい。

また、本発明のコンクリート成形品の製造方法は、ポルトランドセメントと、シリカフュームともみ殻との少なくとも一方及び石英を含む珪砂と、水とを混練してスラリーを製造し、このスラリーを遊星ボールミルで湿式攪拌し、この湿式攪拌したスラリーを型枠に流し込み、さらに、前記スラリーをオートクレーブ養生することを特徴とする。
本発明では、前記石英とシリカフュームとの重量比は適宜設定されるが、例えば、９０％：１０％〜８０％：２０％が好ましく、87.5％：12.5％がより好ましい。
また、シリカフュームともみ殻とは、ともに粒度が小さく、主要構成化合物がSiO₂系ガラスであるため、ほぼ同等に反応する。

ポルトランドセメント、石英及びシリカフューム（ＳＦ）を含む珪砂と、水とを混練してスラリーを製造した後に養生（湿空養生）すると、シリカフュームやもみ殻の溶解速度が速いため緻密なゲルを作製し、この状態でオートクレーブ養生すると、結晶生成を阻害してしまうが、本発明では、オートクレーブ養生前にスラリーを遊星ボールミルで湿式攪拌することで、低い温度でオートクレーブ養生しても板状結晶性トバモライトの生成が可能となるから、エネルギーコストを低いものにできる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には第１実施形態のコンクリート成形品の製造方法を実施するための製造装置の概略構成が示されている。
図１において、製造装置１０は、各材料（後述）を貯蔵し所定量だけ取り出すタンク（貯蔵装置）１１と、このタンク１１で計量された各材料を混練してなるスラリー１をコンクリート型枠２に打設するスラリーミキサ１２と、コンクリートスラリーを湿空養生する湿空養生装置１３と、この湿空養生されたコンクリートをオートクレーブ養生するオートクレーブ養生装置１４とを備えて構成される。

各タンク１１は、普通ポルトランドセメントを貯蔵するセメントタンク１１Ａと、珪砂が貯蔵される珪砂タンク１１Ｂと、各種添加剤が貯蔵されている添加剤タンク１１Ｃと、吸いが貯蔵される貯水タンク１１Ｄとを備えている。
セメントタンク１１Ａに貯蔵されるポルトランドセメントは、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、SO₃、f.CaO、等の化学組成からなり、適宜な粒径（例えば、3000ｃｍ^２／ｇ）を有する。このポルトランドセメントの鉱物組成は、C₃S、C₂S、C₃A、C₄AF、その他である。
珪砂タンク１１Ｂに貯蔵される珪砂は、石英と、溶融シリカ（ＦＳ）とを含んでおり、その重量比は略５０％：５０％である。石英として粒径6000〜10000ｃｍ^２／ｇのα-quartzが用いられており、このα-quartzは、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等の成分からなる。なお、ポルトランドセメントと珪砂とは適宜な比（例えば、６：４）で構成される。
添加剤タンク１１Ｃに貯蔵される添加剤としては、ポリオキシエチレンスルホン酸系気泡剤、ポリカルボン酸系減水剤（例えば、高性能ＡＥ減水剤）、有機酸およびその塩からなる遅延剤、中空状のフライアッシュ、耐熱性ポリプロピレン繊維からなる繊維材、カルシウムアルミネート系化合物からなる急硬材、その他の材料が含まれる。

湿空養生装置１３はコンクリートスラリーを所定温度（例えば、４０℃）及び所定の湿度（例えば、湿度１００％）で所定時間（例えば、１０時間）湿空養生する装置である。
オートクレーブ養生装置１４は、空湿養生されたコンクリートを所定温度で所定時間（例えば、８時間）を水熱養生するものである。

次に、第１実施形態のコンクリート成形品を製造する方法について説明する。
まず、各タンク１１からポルトランドセメント、α-quartz及び溶融シリカ（ＦＳ）を含む珪砂と、添加剤と、水とをスラリーミキサ１２に供給し、これらの材料をミキサ１２で混練してスラリー１を製造する。
このスラリー１を型枠２に流し込み、さらに、スラリー１を湿空養生装置１３で所定時間湿空養生し、その後、オートクレーブ養生装置１４で所定温度・所定時間でオートクレーブ養生する。これにより、コンクリート成形品が製造される。

従って、第１実施形態では、珪砂としてα-quartzだけでなく溶融シリカ（ＦＳ）を含むため、従来例に比べて低い温度でオートクレーブ養生しても、板状結晶性トバモライトの生成が可能となった。

次に、第1実施形態の効果を確認するための実施例１について説明する。
［実施例１］
(1-1)ポルトランドセメント
化学組成比率（％）
SiO₂：21.6、Al₂O₃：5.08、Fe₂O₃：2.93、CaO：64.5、SO₃：1.95、f.CaO：0.4
鉱物組成（Bogue式％）比率
C₃S：52.81、C₂S：22.19、C₃A：8.50、C₄AF：8.92、その他：7.58
粒径 3000ｃｍ^２／ｇ
(1-2)珪砂
(1-2-1)α-quartz
化学組成比率（％）
SiO₂：95.9、Al₂O₃：1.54、Fe₂O₃：0.99
粒径 8000ｃｍ^２／ｇ
(1-2-2) 溶融シリカ（ＦＳ）
化学組成比率99.8％
粒径 10μｍ以下
(1-3）添加剤
減水剤として高性能ＡＥ減水剤使用。
(1-4)材料の比率
α-quartzと溶融シリカとの比は５０％：５０％
ポルトランドセメントと珪砂との比は６：４
水粉対比(W/P) 0.5と0.3の２例で実験した。
(1-5)成形手順
材料を３分間攪拌してスラリーを作製し、型に打設する。その後、４０℃、湿度（ＲＨ）１００％、１０時間の湿空養生を行い、その後、１７０℃、１６０℃のそれぞれの設定温度でオートクレーブ養生をして試験体を作製した。
作製した試験片にトバモライトが生成されているか、カルシウム・シリケート系化合物（C-S-H）が生成されているかを調べた。
カルシウム・シリケート系化合物はゲル状の水和体であり、乾燥した場合に解離する結晶水の量が多く、それに伴う収縮量が大きいため、コンクリートにひび割れをもたらす要因となるものである。
実施例１の結果を表１に示す。
なお、表１を含む以下の表において、「◎」は非常に多い、「○」は確認できる、「△」は少ない、成長しかかっている、「−」はない、を示す。

表１によれば、オートクレーブ養生を１７０℃で行った場合、水粉対比(W/P)が0.5と0.3の２例において、板状結晶のトバモライトが非常に多く生成できることが確認できた。さらに、カルシウム・シリケート系化合物（C-S-H）が生成されていないことも確認できた。
これに対して、オートクレーブ養生を１６０℃で行った場合、水粉対比(W/P)が0.5と0.3の２例においも、板状結晶のトバモライトが生成できず、逆に、カルシウム・シリケート系化合物が生成されたことが確認できた。

[比較例１]
(1-1)ポルトランドセメント
実施例１と同じ
(1-2)珪砂
α-quartzのみ使用。
α-quartzの化学組成比率は実施例１と同じ。但し、粒径 3300ｃｍ^２／ｇ
（1-3）材料の比率
実施例１と同じ
(1-4)成形手順
基本的に実施例１と同じ。
但し、オートクレーブ養生の設定温度が１８０℃、１７０℃、１６０℃であり、これらの条件での試験体を作製した。
実施例１と同様に、試験片にトバモライトが生成されているか、カルシウム・シリケート系化合物が生成されているかを調べた。その結果を表２に示す。

表２によれば、オートクレーブ養生を１８０℃で行い、かつ、水粉対比(W/P)が0.5の例において、板状結晶のトバモライトが非常に多く生成できることが確認できた。さらに、オートクレーブ養生を１８０℃で行った場合にはカルシウム・シリケート系化合物（C-S-H）が生成されていないことも確認できた。
これに対して、オートクレーブ養生を１７０℃で行い、かつ、水粉対比(W/P)が0.5の例では、板状結晶のトバモライトが生成できないまでも配向繊維のトバモライトの生成が確認できたが、カルシウム・シリケート系化合物が生成されたことも確認できた。他の場合には、板状結晶及び配向繊維のトバモライトの生成が確認できないばかりか、カルシウム・シリケート系化合物が生成されたことも確認できた。

[比較例２]
比較例１と基本的な構成は同じであるが、比較例１とはα-quartzの粒径が8000ｃｍ^２／ｇである点で相違する。
実施例１及び比較例１と同様に、試験片にトバモライトが生成されているか、カルシウム・シリケート系化合物が生成されているかを調べた。その結果を表３に示す。

表３によれば、比較例１に比べて粒径を小さくした比較例２はトバモライトの生成において若干の向上が見受けられるが、最も重要な板状結晶のトバモライトが生成されておらず、逆に、カルシウム・シリケート系化合物が生成されている。

[比較例３]
(1-1)ポルトランドセメント
実施例１と同じ
(1-2)珪砂
溶融シリカのみ使用。
粒径は実施例１と同じ。
（1-3）材料の比率
実施例１と同じ
(1-4)成形手順
実施例１と同じ。
実験結果を表４に示す。

表４によれば、比較例１で使用されているα-quartzに代えて溶融シリカを使用した比較例３は、トバモライトの生成において全く向上が見受けらない。カルシウム・シリケート系化合物も減少していない。

[比較例４]
(1-1)ポルトランドセメント
実施例１と同じ
(1-2)珪砂
(1-2-1)α-quartz
実施例１と同じ
(1-2-2) シリカフューム（ＳＦ）
化学組成比率（％）
SiO₂：98.7、Al₂O₃：0.12、Fe₂O₃：0.01、CaO：0.08、SO₃：0.14
粒径 0.1μｍ以下
(1-3）添加剤
実施例１と同じ
(1-4)材料の比率
α-quartzとシリカフュームとの比は87.5％：12.5％
ポルトランドセメントと珪砂との比は６：４
水粉対比(W/P) 0.5と0.3の２例で実験した。
(1-5)成形手順
実施例１と同じ。
その結果を表５に示す。

表５によれば、比較例４は比較例１に比べてトバモライトの生成において若干の向上が見受けられるが、最も重要な板状結晶のトバモライトが生成されておらず、逆に、カルシウム・シリケート系化合物が生成されている。

以上の通り、珪砂としてα-quartz及び溶融シリカを混合した実施例１がα-quartz単独の比較例１や溶融シリカ単独の比較例３に比べて板状結晶のトバモライトが低いオートクレーブ養生温度で生成される。
これは、図２に示されるグラフからも首肯し得る。図２は、オートクレーブ時間と反応比との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、α-quartzの反応率を見ると、その単独の反応率Ｑ’より、溶融シリカとの混合の場合の反応率Ｑが高いのがわかり、同様に、溶融シリカの反応率を見ると、その単独の反応率Ｆｓ’より、α-quartzとの混合の場合の反応率Ｆｓが高いのがわかる。このように、α-quartz及び溶融シリカを混合した場合が反応率が高くなるので、板状結晶のトバモライトが容易に生成されることになる。

次に、本発明の第２実施形態を図３に基づいて説明する。ここで、第２実施形態の説明において、第１実施形態と同様の構成要素は同一符号を付して説明を省略もしくは簡略にする。図３において、第２実施形態では、珪砂タンク１１Ｂに貯蔵される珪砂は、石英と、シリカフューム（ＳＦ）とを含んでおり、その重量比は、90％：10％〜80％：20％であり、好ましくは略87.5％：12.5％である。
スラリーミキサ１２と湿空養生装置１３との間には遊星ボールミル１５が配置される。この遊星ボールミル１５は公知のものである。

次に、第２実施形態のコンクリート成形品を製造する方法について説明する。
まず、各タンク１１からポルトランドセメント、α-quartz及びシリカフューム（ＳＦ）を含む珪砂と、添加剤と、水とをスラリーミキサ１２に供給し、これらの材料をミキサ１２で混練してスラリー１を製造する。
このスラリー１を遊星ボールミル１５で湿式攪拌し、この湿式攪拌したスラリー１を型枠２に流し込み、さらに、第１実施形態と同様に、スラリー１を湿空養生装置１３で所定時間湿空養生し、その後、オートクレーブ養生装置１４で所定温度・所定時間でオートクレーブ養生する。これにより、コンクリート成形品が製造される。

従って、第２実施形態では、オートクレーブ養生前にスラリー１を遊星ボールミル１５で湿式攪拌することで、低い温度でオートクレーブ養生しても板状結晶性トバモライトの生成が可能となる。そのため、エネルギーコストを低いものにできる。

次に、第２実施形態の効果を確認するための実施例２について説明する。
［実施例２］
(1-1)ポルトランドセメント
実施例１と同じ。
(1-2)珪砂
(1-2-1)α-quartz
実施例１と同じ
(1-2-2) シリカフューム（ＳＦ）
化学組成比率（％）
SiO₂：98.7、Al₂O₃：0.12、Fe₂O₃：0.01、CaO：0.08、SO₃：0.14
粒径 0.1μｍ以下
(1-3）添加剤
実施例１と同じ
(1-4)材料の比率
α-quartzとシリカフュームとの比は87.5％：12.5％
ポルトランドセメントと珪砂との比は６：４
(1-5)成形手順
材料を３分間攪拌してスラリーを作製し、このスラリーを遊星ボールミル１５で５時間にわたり湿式攪拌して型に打設する。その後、４０℃、湿度（ＲＨ）１００％、１０時間の湿空養生を行い、その後、１６０℃の設定温度でオートクレーブ養生をして試験体を作製した。

作製した試験片にトバモライトが生成されているか、カルシウム・シリケート系化合物（C-S-H）が生成されているかを調べた。
その結果、板状結晶のトバモライトが生成されたことが確認され、かつ、カルシウム・シリケート系化合物の生成は確認されなかった。
これは、珪砂の一部としてシリカフュームを置換し、スラリーを遊星ボールミルで湿式攪拌して粉砕水和することで珪砂全体の反応率が上昇することに起因する。

図４は、オートクレーブ時間と反応比との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、α-quartzの反応率を見ると、実施例２における粉砕水和の反応率Ｑ１が静置水和（遊星ボールミルで湿式攪拌しないで静置する）の反応率Ｑ２に比べて高く、同様に、シリカフュームの反応率を見ると、実施例２における粉砕水和の反応率Ｓｆ１が静置水和の反応率Ｓｆ２に比べて高い。
珪砂全体の反応率が上昇することで、湿空養生後に粉砕水和で結晶性のメタジェナイト（C₆S₉H₇）が生成され、これがオートクレーブ養生（水熱反応）におけるSiO₂成分の反応を阻害したものと推測できる。

なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記第２実施形態では、珪砂として石英とシリカフューム（ＳＦ）とを用いたが、本発明では、シリカフュームに代え、あるいは、シリカフュームに加えてもみ殻を用いてもよい。つまり、本発明では、珪砂は、シリカフュームともみ殻との少なくとも一方及び石英を含むものであればよい。もみ殻はシリカフュームと同様の粒度、性質であるため、シリカフュームと同等の効果を奏することができる。

本発明は、建築や土木分野におけるコンクリート部材に広く利用可能である。

本発明の第１実施形態に係るコンクリート成形品の製造方法を実施するための製造装置を示す概略構成図である。第１実施形態におけるオートクレーブ時間と反応比との関係を示すグラフである。本発明の第２実施形態に係るコンクリート成形品の製造方法を実施するための製造装置を示す概略構成図である。第２実施形態におけるオートクレーブ時間と反応比との関係を示すグラフである。

符号の説明

１スラリー
２型枠
１１タンク
１２スラリーミキサ
１３湿空養生装置
１４オートクレーブ養生装置
１５遊星ボールミル

Claims

ポルトランドセメントと、石英及び溶融シリカを含む珪砂と、水とを混練してスラリーを製造し、このスラリーを型枠に流し込み、さらに、前記スラリーをオートクレーブ養生することを特徴とするコンクリート成形品の製造方法。
請求項１に記載されたコンクリート成形品の製造方法において、
前記石英は粒径6000〜10000ｃｍ^２／ｇであることを特徴とするコンクリート成形品の製造方法。
請求項１又は２に記載されたコンクリート成形品の製造方法において、
前記石英及び溶融シリカとは重量比が略５０％：５０％であることを特徴とするコンクリート成形品の製造方法。
ポルトランドセメントと、シリカフュームともみ殻との少なくとも一方及び石英を含む珪砂と、水とを混練してスラリーを製造し、このスラリーを遊星ボールミルで湿式攪拌し、この湿式攪拌したスラリーを型枠に流し込み、さらに、前記スラリーをオートクレーブ養生することを特徴とするコンクリート成形品の製造方法。
請求項１から４のいずれかに記載されたコンクリート成形品の製造方法で製造されたことを特徴とするコンクリート成形品。