JP2006315896A - 混和材およびこれを含む混合セメント、モルタル、コンクリート - Google Patents

Abstract

【課題】 高品質で安定した混和材が容易に得られ、それを用いたセメント、モルタル、コンクリートも高品質でかつ安定したものを製造可能な混和材およびこれを含む混合セメント、モルタル、コンクリートを提供する。
【解決手段】 真密度が２．１ｇ／ｃｍ^３で、かつ圧縮度が３０〜５０％の石炭灰としたもので、モルタルまたはコンクリートの流動性および強度に大きな影響を及ぼす球状微粒子の石炭灰を得ることができる。これにより、この混和材を用いたセメント、モルタル、コンクリートも高品質でかつ安定したものを製造することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は混和材およびこれを含む混合セメント、モルタル、コンクリート、詳しくは石炭灰からなる混和材、この混和材を含む混合セメント、この混和材を含むモルタル、および、この混和材を含むコンクリートに関する。

例えば、火力発電所のボイラの煙道に設けられた集塵機により回収された石炭灰（フライアッシュ）の多くは、産業廃棄物として埋め立てにより処分されていた。しかしながら、処分場の確保が困難になったり、環境に対する規制が強化されたことで、石炭灰の有効利用が求められている。その利用方法として、例えば特許文献１が知られている。
特許文献１は、比表面積が３２００ｃｍ^２／ｇ以上、粒子強度が９ＭＰａ以上で、かつタップ密度が０．９ｇ／ｃｍ^３以上のフライアッシュを主体とする無機質粒子と熱硬化性樹脂との混合物を熱硬化したフライアッシュ樹脂板である。フライアッシュ樹脂板は、内外装壁材などの建材に利用される。
特許第２９８３９０７号公報

ところで、石炭灰は、石炭の種類や燃焼方式あるいは灰の捕集方式によって性状が異なる。セメントの混和材としては、フライアッシュセメントの原料として利用されている。フライアッシュは、ＪＩＳＡ６２０１に規定され、その性状により４種類に分けられている。石炭灰の性状は、コンクリートやその製品の品質に大きく影響する。規格内のものでも、その産出場所により物理的性状にばらつきがある。
石炭灰を混合させ、セメントやコンクリート製品を得る場合、その品質の向上や安定性のためには、石炭灰が安定して高品質で提供されることが必要である。

そこで、この発明は、高品質で安定した混和材が容易に得られ、それを用いたセメント、モルタル、コンクリートも高品質でかつ安定したものを製造することができる、混和材およびこれを含む混合セメント、モルタル、コンクリートを提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、真密度が２．１ｇ／ｃｍ^３以上で、かつ圧縮度が３０〜５０％の石炭灰からなる混和材である。

請求項１に記載の発明によれば、真密度が２．１ｇ／ｃｍ^３で、かつ圧縮度が３０〜５０％の石炭灰としたので、モルタルまたはコンクリートの流動性および強度に大きな影響を及ぼす球状微粒子の石炭灰を得ることができる。
フライアッシュ（石炭灰）のＪＩＳ規格では、フライアッシュは品質により４種類に分類されている。これに対して、この発明が提供する真密度と圧縮度とを指標としてフライアッシュを選別すれば、形状が良好で、不純物も少ないフライアッシュを容易に得ることができる。

真密度の測定は、定容積膨張法を採用したマイクロメティクス社製乾式自動密度計による。定容積膨張法とは、ボイルの法則を利用したもので、あらかじめ設定した容積分だけ膨張させ、そのときの圧力変化を測定し、この測定値から密閉容器の体積を求め、試料を容器内に入れたときと入れないときの差から、試料の体積を求めるという測定方法である。
圧縮度（Ｃ）の測定では、ホソカワミクロン社製のパウダーテスターを用い、ゆるみ見掛け比重（Ａ）と固め見掛け比重（Ｐ）とを測定し、次式から求めたものである。
Ｃ＝１００（Ｐ−Ａ）／Ｐ （％）

ゆるみ見掛け比重（Ａ）とは、試料を篩って、規定の容器内に自然落下により投入して満杯とし、その後、容器内の試料の重さを測定し、その試料の重さから得られた比重である。
固め見掛け比重（Ｐ）とは、試料を規定の容器に投入し、一定の高さから規定回数だけ落下を繰り返し、その後、落下の衝撃で押し固められた容器内の試料の重さを測定し、その試料の重さから得られた比重である。

混和材は、混合セメント用の混和材である。この混合セメントは、例えばモルタルまたはコンクリートの主原料として使用されるもので、これを使用することで、より品質の優れたモルタルまたはコンクリートを容易に得ることができる。
石炭灰をモルタルまたはコンクリートの混和材に使用する利点としては、流動性の向上、水和熱による温度上昇の抑制、アルカリシリカ反応の抑制または海水などに対しての化学抵抗性などが挙げられる。しかしながら、石炭灰の性状は、炭種、燃焼履歴または集塵方法などの諸条件により変動する。そのため、所期の目的を達成するには、石炭灰を選択する必要がある。

石炭灰の真密度が２．１ｇ／ｃｍ^３未満では、燃焼が十分ではなく、中空粒子および未燃カーボンが残存し易い。
ここでは、石炭灰の真密度は２．１ｇ／ｃｍ^３以上としたが、理想的な真密度の上限値は３．０ｇ／ｃｍ^３程度である。これは、石炭灰の主成分が、石英（真密度３．０３ｇ／ｃｍ^３）やムライト（真密度２．２〜２．６５ｇ／ｃｍ^３）などとの混合物であることによる。また、実際の石炭灰の好ましい真密度は、２．１〜２．６ｇ／ｃｍ^３である。
石炭灰の圧縮度が３０％未満では、粒子が比較的大きかったり、その形状も角張ったものが存在し易い。また、５０％を超えると、粉体としての流動性が著しく低下し、混合などのハンドリングに支障が生じる。真密度が２．１ｇ／ｃｍ^３以上、圧縮度が３０〜５０％の範囲であれば、流動性の向上、水和熱による温度上昇の抑制、アルカリ反応の抑制、または、海水などに対する化学抵抗性などに対して好適な効果が得られる。

請求項２に記載の発明は、真密度が２．１ｇ／ｃｍ^３以上で、かつ圧縮度が３０〜５０％の石炭灰を混合した混合セメントである。

混合セメントの主材であるポルトランドセメントとしては、例えば普通ポルトランドセメント、低アルカリ形ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメントを採用することができる。
モルタル（生モルタル）は、例えばポルトランドセメントと、細骨材と、請求項１に記載した混和材と、水とを混練して得ることができる。

請求項３に記載の発明は、真密度が２．１ｇ／ｃｍ^３以上で、かつ圧縮度が３０〜５０％の石炭灰を混合したモルタルである。

請求項４に記載の発明は、真密度が２．１ｇ／ｃｍ^３以上で、かつ圧縮度が３０〜５０％の石炭灰を混合したコンクリートである。
コンクリート（生コンクリート）は、例えばポルトランドセメントと、細骨材と、粗骨材と、混和材および混和剤と、水とを混練して得ることができる。

この発明によれば、真密度が２．１ｇ／ｃｍ^３以上で、かつ圧縮度が３０〜５０％の石炭灰としたので、モルタルまたはコンクリートの流動性および強度に大きな影響を及ぼす球状微粒子の石炭灰を容易に得ることができる。また、このような高品質で安定した混和材を含む混合セメント、モルタルおよびコンクリートも高品質でかつ安定したものを製造することができる。

以下、この発明の実施例を具体的に説明する。

この発明の実施例１に係るモルタルから得られたモルタル成形品の試験は、次の方法でそれぞれ行った。
使用材料には、普通ポルトランドセメント（宇部三菱セメント株式会社製、比表面積３２５０ｃｍ^２／ｇ）１００重量部、砂（砕砂；平均粒度１．２ｍｍ以下）２５重量部、石炭灰（Ａ，Ｂ社製、フライアッシュ）４３重量部、ワラストナイト２重量部、水（水道水）２０重量部を用いた。

石炭灰の真密度の測定には、マイクロメティクス社製乾式自動密度計を使用する。
石炭灰の圧縮度の測定では、ホソカワミクロン社製のパウダーテスターを用い、ゆるみ見掛け比重（Ａ）と固め見掛け比重（Ｐ）とを測定し、次式から求める。
Ｃ＝１００（Ｐ−Ａ）／Ｐ （％）
得られた石炭灰は、従来の石炭灰とは異なり（図２）、モルタルまたはコンクリートの流動性および強度に大きな影響を及ぼす球状微粒子の石炭灰であった（図１）。

石炭灰のゆるみ見掛け比重（Ａ）を測定する場合には、まず試料を篩目７１０μｍの篩を使用して篩い、その直下に配置された１００ｃｃの容器（円筒カップ）内に自然落下で投入して満杯とする。その後、容器内から試料を取り出し、その重さを計量する。得られた計量値から試料の比重（ゆるみ見掛け比重、ｇ／ｃｃ）を算出する。
石炭灰の固め見掛け比重（Ｐ）を測定する場合には、まず１００ｃｃの容器（円筒カップ）の開口部に、円筒形状のキャップを着脱自在に連結し、その後、これをパウダーテスターのタッピングホルダに装着する。次に、スコップにより試料をキャップの上縁まで静かに投入する。そして、キャップ付きの容器を毎秒１回で、１８０回だけタッピング（上下動）する。続いて、容器からキャップを外し、カップ上の余分な石炭灰をブレードを用いて除去する。その後、容器内からの落下の衝撃で押し固められた試料を取り出し、その重さを測定する。そして、その試料の重さから（固め見掛け比重、ｇ／ｃｃ）を得る。

モルタル試験体（モルタル成形品）の曲げ強度の測定は、ＪＩＳ Ａ １４１４（建築用構成材（パネル）およびその構造部分の試験方法）の単独曲げ試験により行う。
各原料の混練には、大和化工機株式会社製のニューグラマシン（ＮＧＳ−４５０型）を使用する。
モルタル用試験体の成形は、株式会社石川時鐵工所 Ｙ−４０Ｅの真空式の小型押出機を使用して行う。

モルタル用試験体の作製時には、まずニューグラマシンに各原料をそれぞれ投入し、水を入れずにそのまま２分間混合した。その後、徐々に水を加えながら６分間混練した。得られたモルタルの原料素地をニューグラマシン内から取り出し、原料素地を小型押し出し成形機に投入した。そして、小型押し出し成形機によって、長さ２１０ｍｍで、かつ断面積９８０（１４×７０ｍｍ）ｍｍ^２、長さ方向に直交した断面が長方形状を有したブロック体を成形した。

その後、ブロック体を養生し、モルタル用試験体を得た。このときの養生条件は、まず湿空中で４０℃、１２時間以上（具体的には１５時間）の１次養生を行い、それから２次養生を行う。２次養生では、オートクレーブを使用し、室温から１８０℃まで４時間かけて昇温する。次いで、ブロック体に対する１８０℃の加熱を２時間維持する。その後、１８０℃から１５０℃まで、モルタル用試験体を１時間かけて降温させる。それから、モルタル用試験体を放置し、室温まで冷却させる。

試験例１〜４および比較例１〜４における石炭灰を含むモルタル用試験体に対しての真密度、圧縮度（圧縮度を算出するためのゆるみ見掛け比重、固め見掛け比重を含む）、曲げ強度の各測定結果を、それぞれ表１に示す。

表１から明らかなように、曲げ強度２０Ｎ／ｍｍ^２以上が得られたものは、試験例１〜４のモルタル用試験体であった。これに対して、比較例１の場合では、石炭灰の真密度は２．１ｇ／ｃｍ^３以上であったが、圧縮度は３０％未満であった。また、比較例２，３では、石炭灰の圧縮度は３０〜５０％であったが、その真密度は２．１ｇ／ｃｍ^３未満であった。

次に、この発明の実施例２に係るコンクリートから得られたコンクリート成形品の試験は、次の方法でそれぞれ行った。
使用した高流動コンクリートの配合およびコンクリート性状を、表２に示す。
配合は、コンクリートの材料の容積が等しくなるように定めた（単位ペースト量３３０リットル、単位水量１６５ｋｇ／ｍ^３）。目標のスランプフロー値は６２．５±２．５ｃｍ、目標の空気量は４．５±０．５％とし、混和剤の添加量で調整した。
コンクリートの練り混ぜ方法は、まず強制２軸ミキサにセメント混和材および骨材を投入し、１５秒間の練り混ぜ後、水と混和剤とを投入してからさらに３分間練り混ぜた。
スランプフロー試験は、土木学会基準に準じて行った。
圧縮強度は、ＪＩＳ Ａ １１０８に則って実施した。

表２中、試験例５〜７の混和材Ａは本発明品（密度２．３２ｇ／ｃｍ^３、圧縮度４６．５％）、比較例５〜７の混和材ＢはＪＩＳ規格品のフライアッシュ、セメントＣは宇部三菱セメント株式会社製の普通ポルトランドセメント（密度３．１６ｇ／ｃｍ^３）、細骨材Ｓは木更津産山砂（表乾密度２．６２ｇ／ｃｍ^３）、粗骨材Ｇは神産砕石（表乾密度２．７１ｇ／ｃｍ^３）、混和剤ＡＤは高性能ＡＥ減水剤、混和剤ＳＰはポリカルボン酸系高性能ＡＥ減水剤、水Ｗは水道水である。
表２より明らかなように、同一のスランプフロー値が得られる混和剤ＡＤの使用量は、水セメント比が異なる何れの配合においても、混和材Ａが混和材Ｂに比べて４．０〜１７．６％減少した。これは、本発明品そのものが流動性改善に寄与していることを示す。また、硬化後のコンクリートの圧縮強度において、何れの材齢（７日、２８日、９１日）においても、混和材Ａが混和材Ｂより優れ、特に長期材齢においてその伸びが大きかった。

この発明の実施例１に係る混和材の顕微鏡写真である。 従来手段に係る混和材の顕微鏡写真である。

Claims (4)

1. 真密度が２．１ｇ／ｃｍ^３以上で、かつ圧縮度が３０〜５０％の石炭灰からなる混和材。
2. 真密度が２．１ｇ／ｃｍ^３以上で、かつ圧縮度が３０〜５０％の石炭灰を混合した混合セメント。
3. 真密度が２．１ｇ／ｃｍ^３以上で、かつ圧縮度が３０〜５０％の石炭灰を混合したモルタル。
4. 真密度が２．１ｇ／ｃｍ^３以上で、かつ圧縮度が３０〜５０％の石炭灰を混合したコンクリート。