JP2006282430A - セメント硬化体の収縮抑制方法および膨張材 - Google Patents

Abstract

【課題】セメント硬化体の強度低下を招くことなくその収縮を長期にわたって防止でき、しかも膨張量や膨張時間の調節が容易であるような収縮抑制方法および膨張材を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係るセメント硬化体の収縮抑制方法は、石炭灰をアルカリ雰囲気の水中で粉砕して活性化させた活性化石炭灰と、硫酸塩とをセメント組成物中で反応させ、エトリンガイトの生成および成長を制御することにより、該セメント組成物が硬化してなるセメント硬化体の収縮を抑制する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、充填材等のセメント硬化体に添加して該セメント硬化体の収縮を防止する膨張材に関する。

一般に、コンクリート、モルタル、セメントスラリー等を水和硬化させてなるセメント硬化体においては、乾燥による収縮、水和による硬化収縮（自己収縮）、および水和発熱に起因する温度収縮などが発生し、セメント硬化体にひび割れ等を生じさせるという問題がある。

特に、構造物等の隙間を充填する目的で施工される充填材においては、セメント硬化体である該充填材が収縮すると、構造物等と充填材との十分な密着性が確保されなくなる虞があるため、このような充填材の収縮は、他のセメント硬化体における場合よりもさらに重要な問題となる。

従来、セメント硬化体の収縮を抑制する方法として、セメント組成物に膨張材を添加する方法が採用されており、該膨張材としては、アルミニウム粉末系の膨張材や、カルシウムアルミネート系の膨張材などが知られている。

しかしながら、これら従来の膨張材においては、以下のような問題がある。
アルミニウム粉末系の膨張材は、アルミニウム粉末の発泡によりセメント硬化体を膨張させるものであるため、添加量を増して膨張量を多くしようとすればセメント硬化体の強度を大きく低下させることとなる。
また、該アルミニウム粉末系の膨張材は、添加直後から短時間で膨張が終了するため、それ以降の長期間にわたるセメント硬化体の収縮を抑制することは困難である。

一方、カルシウムアルミネート系の膨張材は、セメントと同じく水和物結晶の成長により膨張するものであるため、その膨張時間を調整するには硬化促進剤や遅延剤等を添加しなければならず、セメント硬化体に含まれる他の結合材（セメント等）の硬化にも影響を及ぼすものとなってしまう。

そこで、本発明は、セメント硬化体の強度低下を招くことなく収縮量および収縮時期に適切に対応してその収縮を防止でき、しかも膨張量や膨張時間の調節が容易であるような収縮抑制方法および膨張材を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明に係るセメント硬化体の収縮抑制方法は、石炭灰をアルカリ性の水中で粉砕して活性化させた活性化石炭灰と、硫酸塩とをセメント組成物中で反応させ、該セメント組成物が硬化してなるセメント硬化体の収縮を抑制することを特徴とする。

本発明に係るセメント硬化体の収縮抑制方法によれば、活性化石炭灰がアルミニウムイオンの供給源となり、硫酸塩が硫酸イオンの供給源となり、さらに、セメント組成物がＣａイオンの供給源となり、これらの成分によってエトリンガイトが生成され、該エトリンガイトが成長することによってセメント硬化体の収縮が抑制される。
即ち、本発明に係るセメント硬化体の収縮抑制方法では、エトリンガイトの生成量および成長速度を、アルカリ雰囲気や、活性化石炭灰の粒子径などによってコントロールすることができる。また、エトリンガイトは、通常のセメント硬化体の中でも生成されるものであるため、セメント硬化体中の他の材料に対して悪影響を及ぼし難いものとなる。また、本発明は、エトリンガイトの生成による硬化体の膨張を利用したものであるため、アルミニウム粉末系膨張材を用いた場合のように強度が低下する虞もない。

本発明に係るセメント硬化体の収縮抑制方法においては、好ましくは前記活性化石炭灰の平均粒子径を、１〜１０μｍとする。

また、好ましくは、石炭灰の粉砕前にアルカリ刺激剤を水中に溶解するものとし、該アルカリ刺激剤としては、好ましくは水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム等のアルカリ金属の水酸化物、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム等のアルカリ金属の炭酸塩、重炭酸ナトリウム、重炭酸カリウム、重炭酸リチウム等のアルカリ金属の重炭酸塩、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等のアルカリ土類金属の水酸化物、および酸化カルシウム、酸化マグネシウム等のアルカリ土類金属の酸化物からなる群より選ばれる１種又は２種以上を用いる。
斯かるアルカリ刺激剤を用いることにより、その種類や濃度等を調整することによって前記活性化石炭灰の活性を変化させることができ、膨張量や膨張時間を調節することができる。

さらに、本発明に係る膨張材は、セメント組成物が硬化してなるセメント硬化体の収縮を防止するべく、セメント組成物に配合する膨張材であって、石炭灰をアルカリ性の水中で粉砕してなる活性化石炭灰を含むことを特徴とする。

また、本発明の膨張材は、好ましくは硫酸塩を含むものとする。

本発明に係るセメント硬化体の収縮抑制方法および膨張材によれば、セメント硬化体の強度低下を招くことなく収縮量および収縮時期に適切に対応してその収縮を防止でき、しかも膨張量や膨張時間の調節も極めて容易になるという優れた効果を奏する。

本発明に係る膨張材は、石炭灰をアルカリ性の水中で粉砕して活性化させた活性化石炭灰を含むものであり、この活性化石炭灰をセメント組成物に配合し、セメント組成物中で硫酸塩と反応せしめてエトリンガイトを生成させるものである。

前記石炭灰としては、アルカリ水溶液に溶解可能なアルミニウム成分を含有するものであれば特に限定されず、火力発電所のボイラ燃焼炉から発生する燃焼飛散灰であるフライアッシュのほか、クリンカアッシュ、シンダアッシュなどを使用することもできる。
粉砕後の石炭灰の平均粒子径を調整することにより、セメント硬化体中におけるエトリンガイトの生成速度を調整し、セメント硬化体の収縮量や収縮速度に応じて収縮抑制効果を発揮させることができる。

一般には、粉砕後の活性化石炭灰、即ち、セメント硬化体中へ添加する際の活性化石炭灰の粒子径が小さくなるほど収縮抑制作用が早期に発揮されやすくなる傾向にあり、逆に、粒子径が大きくなるほど収縮抑制作用が徐々に発揮される傾向にあるが、通常、粉砕後の活性化石炭灰の平均粒子径は、１〜１０μｍとすることが好ましく、１〜５μｍとすることがより好ましい。１μｍ未満にするのは経済的に不利となりやすく、１０μｍより大きくなると所定の時間に膨張させることが困難となる虞がある。

アルカリ雰囲気下で石炭灰を水中で粉砕する手段については特に限定されず、例えば、ボールミル、振動ミル、遊星ミル、サンドミル、タワーミル、エアジェットミル、ローラーミル、アトリションミル、ビードミル、媒体攪拌ミル等の粉砕機を使用することができる。また、粉砕後に分級等の操作を行い、石炭灰の粒子径を調整してもよい。
さらに、実際にはセメント硬化体の収縮量や打設温度等によって必要な膨張量および膨張速度が異なるため、事前に試験練り等を行い、活性化石炭灰の好ましい粒子径を確認しておいてもよい。

一方、本発明において使用するアルカリ刺激剤は、反応が緩慢な石炭灰を刺激してその反応性を高めることにより、石炭灰と硫酸塩との反応速度を調整するものである。石炭灰を水中で粉砕する際、該アルカリ刺激剤によって水中のアルカリ度を調整することにより、活性化石炭灰の反応性を調整でき、膨張材の膨張時間を調整することができる。
具体的には、石炭灰を水中で粉砕する際、該水中のアルカリ度を０．１〜５０％とすることが好ましく、１〜１０％とすることがより好ましい。該アルカリ度は、使用するアルカリ刺激剤の種類や粒子径を変えることによって調整することができるが、実際には、充填材などのセメント硬化体の収縮量や打設温度等によって必要となる膨張材の特性が異なるため、事前に試験練りを行い、必要なアルカリ度を予め求めておくことが好ましい。通常は、アルカリ度が高くなるほど膨張材の膨張する時間が早くなる傾向にあり、アルカリ度が低くなるほど膨張材の膨張する時間が早くなる傾向にある。

尚、アルカリ度とは、水中のアルカリ金属およびアルカリ土類金属の濃度を表すものであり、ＪＩＳ Ｋ ０１０１に規定された方法により測定されるものである。

該アルカリ刺激剤としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム等のアルカリ金属の水酸化物、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム等のアルカリ金属の炭酸塩、重炭酸ナトリウム、重炭酸カリウム、重炭酸リチウム等のアルカリ金属の重炭酸塩、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等のアルカリ土類金属の水酸化物、および酸化カルシウム、酸化マグネシウム等のアルカリ土類金属の酸化物を挙げることができ、これらを１種単独で、又は２種以上併用して用いることができる。

さらに、本発明において使用される硫酸塩は、活性化石炭灰中に含まれる可溶性のアルミニウムと反応し、エトリンガイトの生成に寄与する硫酸イオンを供給するものである。
該硫酸塩としては、水に対して可溶性のものであれば特に限定されず、硫酸亜鉛、硫酸アルミニウム、硫酸アンモニウム、硫酸カリウム、硫酸カルシウム、硫酸鉄、硫酸鉄アンモニウム、硫酸ナトリウム、硫酸ニッケル、硫酸バリウム、硫酸マグネシウム、硫酸マンガンなどを使用することができる。
尚、セメント組成物中に石膏が含まれている場合には、該石膏も本発明における硫酸塩に該当し、硫酸イオンの供給源となる。よって、セメント組成物中に十分な量の石膏が含まれている場合には、別途硫酸塩を添加する必要がない。

本発明における膨張材の構成は、活性化石炭灰１００重量部に対して、アルカリ刺激剤を０〜３００重量部、水を１〜１０００重量部とすることが好ましく、さらに、アルカリ刺激剤を１〜１００重量部、水を５０〜１０００重量部とすることがより好ましい。

また、セメント組成物中における硫酸塩の含有割合は、前記膨張材中に含まれる活性化石炭灰１００重量部に対し、３０〜１２０重量部とすることが好ましい。

本発明に係るセメント硬化体の収縮抑制方法は、石炭灰をアルカリ雰囲気下の水中で粉砕して活性化させた活性化石炭灰と、硫酸塩とをセメント組成物中において反応せしめ、該セメント組成物が乾燥又は硬化してなるセメント硬化体の収縮を抑制するものである。即ち、本発明に係るセメント硬化体の収縮抑制方法は、活性化石炭灰およびアルカリ、並びに硫酸塩をセメント組成物中で反応させることによって該セメント組成物中でエトリンガイトを生成並びに成長させ、該セメント組成物の乾燥又は硬化に伴う収縮を防止するものである。
従って、膨張材中に含まれる活性化石炭灰およびアルカリと、硫酸塩とを予め反応させてしまうと効果が得られなくなる虞があり、これらの反応による該エトリンガイトの生成又は成長を、セメント組成物の乾燥又は硬化とを略同時期に行なうことが必要である。

以下、実施例および比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
フライアッシュ１ｋｇ、消石灰０．１ｋｇおよび水７．５ｋｇの混合物（アルカリ度：１．３％）を、媒体攪拌ミルによって４時間湿式粉砕し、平均粒子径が１．８５μｍのフライアッシュを含有したフライアッシュスラリーを調製した。
該フライアッシュスラリーおよび二水石膏を膨張材として使用し、表１に示す配合で裏込め注入材を調製した。

（比較例１）
アルミニウム粉末系の膨張材（立花マテリアル社製、アルミ粉）を用い、表１に示す配合で裏込め注入材を調製した。

（比較例２）
カルシウムアルミネート系膨張材を用い、表１に示す配合で裏込め注入材を調製した。
尚、各注入材の配合に際しては、セメントおよび水の単位量、並びに水粉体比（水／（セメント＋メタカオリン＋膨張材））が一定となり、且つ膨張材による最大膨張量が１％程度、材齢２８日の圧縮強度が２０Ｎ／ｍｍ²程度となるように配合量を決定した。

実施例および比較例の膨張材を配合した裏込め注入材を（寸法）４ｃｍ×４ｃｍ×１６ｃｍの型枠に打設し、その後の体積変化と圧縮強度を測定した。
測定結果を表２に示す。

表２に示すように、比較例１のアルミニウム粉末系膨張材を用いた裏込め注入材においては、体積変化は特に問題ないものの、圧縮強度が他と比べて低いものとなっていることがわかる。これは、アルミニウム粉末の発泡により膨張したためであると考えられる。
また、比較例２のカルシウムアルミネート系膨張材を用いた裏込め注入材においては、高い圧縮強度が得られているものの、硬化過程において一旦収縮し、硬化した後に膨張が生じていることが認められる。これは、カルシウムアルミネート系膨張材の膨張が遅いために、打設後の初期段階においてはセメントの硬化収縮を補うことができず、硬化した後に著しく膨張したためと考えられるが、このような膨張材は、実際の施工においては使用し難いものである。

一方、本発明の膨張材を用いた裏込め注入材においては、比較例１のように硬化体の強度にも悪影響を及ぼさず、また、裏込め注入材の打設後、比較的緩やかに膨張が発生しており、セメントの硬化収縮を適切に補っていることが認められる

本発明に係るセメント硬化体の収縮抑制方法および膨張材は、乾燥および水和硬化する際に収縮する種々のセメント組成物、例えば、構造物等の隙間に充填する充填材、ジョイントコンクリート、ヒューム管やボックスカルバート等のコンクリート製品、仕上げモルタルなどに対して適用することができ、特に、裏込め注入材等として使用される充填材に対して好適である。

Claims (6)

1. 石炭灰をアルカリ性の水中で粉砕して活性化させた活性化石炭灰と、硫酸塩とをセメント組成物中で反応させ、該セメント組成物が硬化してなるセメント硬化体の収縮を抑制することを特徴とするセメント硬化体の収縮抑制方法。
2. 前記活性化石炭灰の平均粒子径が、１〜１０μｍであることを特徴とする請求項１記載のセメント硬化体の収縮抑制方法。
3. 前記石炭灰の粉砕の前に、アルカリ刺激剤を水中に溶解することを特徴とする請求項１又は２記載のセメント硬化体の収縮抑制方法。
4. 前記アルカリ刺激剤が、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム等のアルカリ金属の水酸化物、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウム等のアルカリ金属の炭酸塩、重炭酸ナトリウム、重炭酸カリウム、重炭酸リチウム等のアルカリ金属の重炭酸塩、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等のアルカリ土類金属の水酸化物、および酸化カルシウム、酸化マグネシウム等のアルカリ土類金属の酸化物からなる群より選ばれる１種又は２種以上であることを特徴とする請求項３記載のセメント硬化体の収縮抑制方法。
5. セメント組成物が硬化してなるセメント硬化体の収縮を防止するべく、該セメント組成物中に配合する膨張材であって、石炭灰をアルカリ性の水中で粉砕して活性化させた活性化石炭灰を含むことを特徴とする膨張材。
6. さらに、硫酸塩を含むことを特徴とする請求項５記載の膨張材。