JP2005298267A - 耐中性化特性に優れる高炉セメントを用いたコンクリートおよび鉄筋コンクリート構造体。 - Google Patents

Abstract

【課題】 混合セメント、特に高炉セメントを用いた硬化体の耐中性化性をポルトランドセメントと同等以上にし、かつ多量のリサイクル材の活用も可能な技術を提供することを目的とする。
【解決手段】 耐中性化特性に優れる高炉セメントを用いたコンクリートにおいて、骨材としてｐＨ溶出値が１２以上の骨材とし、ｐＨ溶出値が１２以上の骨材として製鋼スラグを用い、また、ｐＨ溶出値が１２以上の骨材として蒸気エージングにより処理された製鋼スラグを用いることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、塩分飛散の多い沿岸域や空気中の炭酸ガスの影響を受けやすい箇所の使用に適した耐中性化特性に優れる高炉セメントを用いたコンクリートおよび鉄筋コンクリート構造体に関する。

高炉セメントは、セメント中のクリンカー成分がポルトランドセメントに比べ少なく、製造過程におけるＣO_２排出量が抑制できるため、環境負荷の小さいセメントとして最近利用が増大している。特に、これを用いたコンクリートは、ポルトランドセメントを用いたコンクリートに比べ、塩分浸透に対する抵抗性が大きいとされ、港湾構造物や沿岸域の構造物に多用されている。
鉄筋コンクリート構造物の耐久性を高めるには、コンクリート中の鉄筋の腐食を防止することが重要な要件とされる。前記、高炉セメントを用いたコンクリートの塩分浸透性に対する抵抗性は、Ｃｌ成分によるコンクリート中の鉄筋の不動態皮膜の破壊を防止することで鉄筋の腐食を抑制し、構造物としての耐久性を高めるものである。

同様に、コンクリート中の鉄筋腐食を誘引する因子として、コンクリートが大気中の炭酸ガスと反応する中性化と呼ばれる現象がある。これは、コンクリートが大気中の炭酸ガスと炭酸化反応を起すことで、鉄筋周囲のアルカリ度が中性域に変化し、内部の鉄筋が腐食しやすい環境下に変化する現象をいう。混合セメントの一つである高炉セメントは、他の混合セメントであるフライアッシュセメントなどと同様、ポルトランドセメントに対して耐中性化特性に劣ると言われており、例えば、土木学会「（２００２年度制定）コンクリート標準示方書［施工編］」では、中性化速度係数として、下記式（１）による評価をもとに、ポルトランドセメントに高炉スラグ微粉末を混合して製造される高炉セメントに対して、中性化速度係数を大きく取ることを推奨している。
α＝−３．５７＋Ｗ／（Ｃｐ＋ｋ・Ａｄ） ・・・（１）
ここに、α：中性化速度係数、Ｗ：単位体積あたりの水の質量、Ｃｐ：単位体積あたりのポルトランドセメントの質量、Ａｄ：単位体積あたりの混和材の質量、ｋ：混和材の種類による定数で高炉スラグ微粉末の場合はｋ＝０．７

前記のことから、高炉セメントを用いる場合に、ポルトランドセメントなみの耐中性化性を確保するには、Ｗ／（Ｃｐ＋ｋ・Ａｄ）をポルトランドセメントと同等とするためにセメント量を多くする、かぶりコンクリートの厚さを厚くして中性化速度が速くても鉄筋位置まで中性化する時間をポルトランドセメントと同等にするなどの対応が必要となり、これらはコストアップの要因となっていた。
このような高炉セメントの課題を解決すべく、種々の提案がなされている。例えば、特開平９−５２７４５号公報には、ＣａＯとＣａＦ_２を熱処理した配合物を混合セメントの刺激剤（混和材料）として用いる方法が、また特開２００３−３０６３５９号公報には、混合セメントのアルカリ刺激剤として、製鋼スラグを用いる方法が開示されている。特に、特開２００３−３０６３５９号公報は、混合セメントのアルカリ刺激剤として製鋼スラグを用いることで、特開平９−５２７４５号公報の課題である天然資源を用いなくてはならない点や高コストとなる点などの課題を解決すべく発明されたものであり、安価なリサイクル材を有効に活用しうる技術である。
特開平９−５２７４５号公報 特開２００３−３０６３５９号公報

前記、特開２００３−３０６３５９号公報は、耐中性化性を向上させる手法として、混合セメントの水和組成物中に多量の水酸化カルシウムを生成することで、耐中性化性を向上しようとするものである。すなわち、製鋼スラグに含まれる未反応ＣａＯと水とを反応させることによって、硬化体中に水酸化カルシウムを生じさせ、水和組成物のアルカリ度を増大させるものである。
このメカニズムを成立させるため、使用する製鋼スラグには、ＣａＯ含有率が、５０％以上（例えば、溶銑脱硫スラグ）の塩基度が大きい製鋼スラグ、骨材として用いる場合は、粒径５mm以下が８５ｍａｓｓ％以上、粒径０．０７５未満が１０ｍａｓｓ％以上、などの制約を設けている。

しかし、製鋼スラグなどに含まれる未反応のＣａＯは、水と反応して水酸化カルシウムになる際、体積が２倍に膨張し、コンクリートのような硬化体中では、ひび割れなどの致命的な損傷を誘引するため、コンクリートなどに用いることは、従来よりタブーとされてきた。そのため、特開２００３−３０６３５９号公報においても、多量に使用することは推奨しておらず、また骨材として用いる場合は、使用量に制限を設けたり、膨張による硬化体への損傷度が小さい粒径の小さい製鋼スラグを用いることを推奨している。これらのことから、特開２００３−３０６３５９号公報の高炉セメントを用いた実施例による耐中性化性の改善効果は、高炉セメント単体の場合に対しては改善が認められるものの、普通ポルトランドセメント並みの耐中性化性を付与するには至っていない。

特開２００３−３０６３５９号公報は、製鋼スラグ中の未反応のＣａＯと水との反応に期待するものであるため、製鋼スラグ中のＣａＯ含有量が高いものを用いることが必要となるが、製鋼スラグには、ＣａＯ含有量の少ないものが多くあり、使用可能な材料が限られ、リサイクル材の有効活用という点からも課題がある。
以上のように、従来技術には、混合セメントの耐中性化性を普通ポルトランドセメントと同等以上にする技術、上記においてリサイクル材を多量に使用可能な技術において課題がある。

本発明は、前記課題である混合セメント、特に高炉セメントを用いた硬化体の耐中性化性をポルトランドセメントと同等以上にし、かつ多量のリサイクル材の活用も可能な技術を提供することを目的とする。

本第１発明は、前記課題を解決するために、耐中性化特性に優れる高炉セメントを用いたコンクリートにおいて、骨材としてｐＨ溶出値が１２以上の骨材を用いることを特徴とする。

本第２発明は、本第１発明の耐中性化特性に優れる高炉セメントを用いたコンクリートにおいて、前記ｐＨ溶出値が１２以上の骨材として、製鋼スラグを用いることを特徴とする。

本第３発明は、本第１又は第２発明の高炉セメントを用いたコンクリートにおいて、前記ｐＨ溶出値が１２以上の骨材として、蒸気エージングにより処理された製鋼スラグを用いることを特徴とする。

本第４発明は、鉄筋コンクリート構造体において、本第１〜第３発明のいずれか１つの発明の耐中性化特性に優れる高炉セメントを用いたコンクリートで形成されることを特徴とする。

本発明により、耐中性化特性に劣るといわれる高炉セメントを用いたコンクリートに対し、普通ポルトランドセメントと同等の耐中性化特性を付与できる。また、ｐＨ溶出値を１２以上であれば、化学成分などの制約のない、広い範囲の製鋼スラグなどが骨材として利用可能となり、リサイクル材の大量利用が可能となる。

コンクリートの中性化は、コンクリート中の結合材（ポルトランドセメント、混和材および水）の量や種類および配合に依存するというのが従来からの定説であった。このことから構造物としての耐中性化性を重要視する場合は、セメント量を増大するなどの対策を講じることが一般的であるが、この対策は、強度発現過程での水和熱の増大に繋がるため、温度ひび割れなどの別の問題を引き起こすものでもある。一方、環境負荷低減を目的として、各種リサイクル材を有効活用していくことが業界全体の課題となっている。高炉セメントなどの混合セメントは、この目的にかなう有用な材料であるが、耐中性化特性に関しては劣位にあるといわざるを得ず、これも一因となって適用範囲が狭まっているというのが実状である。
前記の状況から、本発明者は、耐中性化性が結合材の量や種類、配合に依存するという考え方に限界を感じ、コンクリートを構成する材料全体で耐中性化性能を向上させるとの観点から本発明を考案したものである。すなわち、骨材にpH溶出値が１２以上の骨材を用いることでコンクリート全体のアルカリ度を高め、中性化に対して不利とされる高炉セメントを用いたコンクリートに対して、ポルトランドセメントに匹敵する高い耐中性化特性を付与できることを見出したものである。pH溶出値が１２以上の骨材で多量に産出されるものとしては、ポルトランドセメントを用いたコンクリートやモルタルの破砕材が考えられるが、供給量が多く、品質も安定している材料として、製鋼スラグがある。本発明では、ｐH溶出値が１２以上あれば、塩基度（ＣａＯ含有量）が比較的小さい製鋼スラグも利用可能であり、またｐH溶出値確保の手段として蒸気エージング処理を施した製鋼スラグを利用するため、膨張に対する問題が少なく、さらに化学成分の制約もほとんどなくなるため、大量のリサイクル材を用いることが可能となる。
蒸気エージングの一例としてのオートクレーブ法（高圧蒸気養生法）は、通常、圧力容器内で１８０℃程度の温度で飽和状態以上の湿度下で行われるものである。蒸気エージングは本来高塩基度のスラグに対し、未反応ＣａＯの抑制手段として行われるものであるが、本発明のオートクレーブ法を含む蒸気エージングを行う技術的意義は、水分と製鋼スラグを反応させ、製鋼スラグ表面にＣａ（ＯＨ）_２を生成することで、溶出水のｐＨ溶出値を１２以上に上昇させることである。特に無処理の状態でｐＨ溶出値が１２以下の製鋼スラグのｐＨ溶出値が１２以上にするための対策を考慮したものである。ｐＨ溶出値が１２以上という数値限定の技術的意義は、ｐＨ溶出値が１２以下の材料を用いると、目標値であるポルトランドセメントを用いたコンクリート並みの耐中性化特性が得られず、ｐＨ溶出値が１２以上の高アルカリ材料を用いることで初めて、ポルトランドセメント並みの耐中性化特性が得られるからである。
［実施例］

（１）使用材料
実験に用いた材料を以下に示す。尚、骨材系材料については、アルカリ度の評価のため、骨材質量１に対し、質量比３倍の水道水で攪拌した後のｐＨを測定した。
ａ）結合材系材料
１．普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）：ＪＩＳ Ｒ５２１０、密度３．１５ｇ／ｃｍ^３
２．高炉セメントＢ種（ＢＢ）：ＪＩＳ Ｒ５２１１、密度３．０４ｇ／ｃｍ^３
ｂ）骨材系材料
１．天然砂（ＮＳ）：標準砂、ｐＨ７．９
２．天然砕石（ＮＧ）：石灰砕石２００５、ｐＨ８．３
３．製鋼スラグ（ＳＳ１）：粒径０〜２５ｍｍ、ＣａＯ４８．２％、ＳｉＯ_２２３．４％ _、
ｐＨ１２．３
４．製鋼スラグ（ＳＳ２）：粒径０〜２５ｍｍ、ＣａＯ４６．２％、ＳｉＯ_２１６．８％、
ｐＨ１２．６、蒸気エージング
５．製鋼スラグ（ＳＳ３）：粒径０〜２５ｍｍ、ＣａＯ３２．７％、ＳｉＯ_２２０．４％、
ｐＨ１１．９
６．製鋼スラグ（ＳＳ４）：粒径０〜２５ｍｍ、ＣａＯ２２．７％、ＳｉＯ_２１６．５％、
ｐＨ１１．５
７．製鋼スラグ（ＳＳ５）：６．の蒸気エージング品、ｐＨ１２．０

（２）配合条件
試験に用いた各コンクリートの配合条件を表−１に示す。表中の目標例は、耐中性化性評価の目安となる普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）と天然骨材（ＮＳおよびＮＧ）を用いたコンクリートであり、比較例−１は、従来法の一つである高炉セメントＢ種（ＢＢ）と天然骨材（ＮＳおよびＮＧ）を用いたコンクリート、比較例−２、３は、比較例−１の骨材をｐＨ溶出値が１２以下の製鋼スラグ（ＳＳ３、ＳＳ４）に置き換えたコンクリートである。これらに対し、本発明例−１は、比較例−１の骨材をｐＨ溶出値が１２以上の未処理の製鋼スラグ（ＳＳ１）に置き換えたコンクリート、本発明例−２は、ｐＨ１２以上の蒸気エージングを施した製鋼スラグ、本発明例３は、比較例−３の骨材を蒸気エージングを施した製鋼スラグ（ＳＳ４を蒸気エージングしたＳＳ５）に置き換えたコンクリートである。各配合は、中性化に対する条件を合わせるため、水結合材比を６４％に統一した。またそれぞれの骨材は、表乾密度が異なるため、単位体積あたりの配合質量は異なるが、配合容積は、ほぼ統一した。

(表―１)

（試験方法）
（１）促進中性化試験の方法及び試験条件
促進中性化試験用の供試体は１０ｃｍ×１０ｃｍ×４０ｃｍの直方体で、各配合につき２本づつの供試体を試験に供した。各供試体は、水中養生終了後、２０℃、６０％ＲＨの恒温恒湿室にて１４日間乾燥させた後に、促進中性化試験を行った。なお、中性化させる部分を１面とするため、乾燥期間中に供試体の上下面および両端面の４面を、図１に示すようにエポキシ樹脂で被覆した。
中性化促進条件を表−２に示す。
中性化深さは、フェノールフタレイン１％アルコール溶液を噴霧した供試体割裂面の表面から変色域までの深さとし、促進中性化試験の開始から１３週時点で測定を行った。

（表―２）

[促進中性化試験結果]
促進中性化試験の結果を表−３に示す。

（表−３）

表−３より
１．骨材にアルカリ溶出度の大きい製鋼スラグを用いていない（天然骨材を用いた）比較例−１と目標例を比較すると、ＯＰＣを用いた目標例に対し、ＢＢを用いた比較例−１は、中性化深度が深く、中性化されやすいことが分かる。このことは、土木学会「コンクリート標準示方書」などで示されているＢＢを用いたコンクリートが中性化しやすいことと、傾向的に一致している。
２．セメントにＢＢを用い、骨材に蒸気エージング処理を行っていないｐＨ１２未満の製鋼スラグを用いた比較例−２、３は、セメントにＯＰＣを用いた目標例に対し、中性化深度が深く、比較例−１並みの耐中性化特性である。
３．蒸気エージングを施していないｐＨ１２を超える製鋼スラグを用いた本発明例−１は、目標例に対し、同等以下の中性化深度となっており、十分な耐中性化特性が認められる。
４．蒸気エージングを施した製鋼スラグを用いた本発明例−２、３も、目標例と同等以下の中性化深度となり、十分な耐中性化特性が認められた。

促進中性化試験用の供試体を示す図である。

Claims (4)

1. 骨材としてｐＨ溶出値が１２以上の骨材を用いることを特徴とする耐中性化特性に優れる高炉セメントを用いたコンクリート。
2. 前記ｐＨ溶出値が１２以上の骨材として、製鋼スラグを用いることを特徴とする請求項１に記載の耐中性化特性に優れる高炉セメントを用いたコンクリート。
3. 前記ｐＨ溶出値が１２以上の骨材として、蒸気エージングにより処理された製鋼スラグを用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の耐中性化特性に優れる高炉セメントを用いたコンクリート。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載された耐中性化特性に優れる高炉セメントを用いたコンクリートにより形成されることを特徴とする鉄筋コンクリート構造体。

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