JP2007197256A - コンクリート材料、コンクリート部材、およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの低減および天然資源の保全を図ることができるコンクリート材料、コンクリート部材、およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】普通ポルトランドセメントと、シリカと、水と、気泡剤と、減水剤と、遅延剤と、フライアッシュと、繊維材と、急硬材とを備えるとともに、前記シリカには所定の混合比で再生シリカが混合されたコンクリート材料を用い、ポルトランドセメント、シリカ、水、気泡剤、減水剤、遅延剤およびフライアッシュを混練してスラリーペーストを生成し、このスラリーペーストに繊維材を添加し混練して繊維材入りスラリーペーストを生成し、さらに、この繊維材入りスラリーペーストに急硬材、水および遅延剤を添加して攪拌し、打設した後に養生してコンクリート部材を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、建築分野や土木分野において構造物に用いられるコンクリート材料、コンクリート部材、およびその製造方法に関する。詳しくは、外壁材や外壁仕上げ材などの壁部材、床版や屋根版などのスラブ部材等に好適なコンクリート部材、そのコンクリート材料および製造方法に関する。

従来、普通ポルトランドセメントと、珪砂と、水と、気泡剤と、減水剤と、遅延剤と、フライアッシュと、繊維材と、急硬材とを含んだ材料を練りまぜてスラリーペーストを生成し、生成したスラリーペーストを型枠内に打設してから養生することによって製造されるコンクリート部材が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２６２７２８号公報

特許文献１に記載されたようなコンクリート部材では、砂鉱として集積された石英を主成分とする珪砂が利用されているため、採掘や集積、運搬等の費用が多大になってしまうという問題がある。

本発明の目的は、製造コストの低減および天然資源の保全を図ることができるコンクリート材料、コンクリート部材、およびその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のコンクリート材料、コンクリート部材、およびコンクリート部材の製造方法は、次の構成を採用する。
本発明の請求項１に記載のコンクリート材料は、普通ポルトランドセメントと、シリカと、水と、気泡剤と、減水剤と、遅延剤と、フライアッシュと、繊維材と、急硬材とを備え、前記シリカには所定の混合比で再生シリカが混合されていることを特徴とする。

また、請求項２に記載のコンクリート部材は、普通ポルトランドセメントと、シリカと、水と、気泡剤と、減水剤と、遅延剤と、フライアッシュと、繊維材と、急硬材とを備えるとともに、前記シリカには所定の混合比で再生シリカが混合されたコンクリート材料から形成されることを特徴とする。
この際、前記シリカに混合する再生シリカの混合比は、２０％以下であることが好ましい。

また、請求項４に記載のコンクリート部材の製造方法は、普通ポルトランドセメントと、シリカと、水と、気泡剤と、減水剤と、遅延剤と、フライアッシュと、繊維材と、急硬材とを用い、前記シリカに所定の混合比で再生シリカを混合しておき、前記ポルトランドセメント、シリカ、水、気泡剤、減水剤、遅延剤およびフライアッシュを混練してスラリーペーストを生成し、このスラリーペーストに前記繊維材を添加し混練して繊維材入りスラリーペーストを生成し、さらに、この繊維材入りスラリーペーストに前記急硬材、水および遅延剤を添加して攪拌し、打設した後に養生することを特徴とする。

ここで、シリカとは、採掘、集積された珪砂から製造された天然シリカや、人工的に生成された合成シリカなどの二酸化ケイ素（ＳiＯ₂）からなる粉末状の材料であり、再生シリカとは、鋳物廃砂や各種の産業廃棄物（建築、土木廃材や、廃ガラス）などから二酸化ケイ素を取り出して再生されたものであり、特に、鋳物廃砂から再生されたものが好ましい。フライアッシュとは、火力発電所の微粉炭の燃焼により発生した灰分が溶けた灰白色の微粉であり、二酸化珪素（ＳiＯ₂）、アルミナ（Ａl₂Ｏ₃）、酸化鉄（Ｆe₂Ｏ₃）を主成分とした骨材であり（例えば、フライアッシュ、スラグ、フライアッシュバルーン等）、バルーン状（中空状）に形成されていて通常のフライアッシュよりも軽いフライアッシュバルーンが好ましい。また、繊維材としては、耐熱性のある改良型のポリプロピレン（ＰＰ）繊維やアラミド繊維が好ましい。また、気泡剤としては、ポリオキシエチレンスルホン酸系気泡剤が好ましい。

以上の本発明によれば、再生シリカを所定の混合比（２０％以下が好ましい）でシリカに混合したことで、天然シリカ（珪砂）や合成シリカの割合を低減させて原材料費を抑制し、製造コストを低減させることができる。そして、天然材料の使用比率を減らして、廃棄物等からの再生材料の使用比率を高めることで、天然資源が保全できるとともに、廃棄物を有効利用することもできる。
また、減水剤（ポリカルボン酸系減水剤が好ましい）を用いたので、水粉体比を低下させることができるから、コンクリート強度を高めることができる。また、コンクリートの硬化を促進する急硬材（カルシウムアルミネート系化合物が好ましい）と、コンクリートの硬化を抑制する遅延剤とを用いたので、コンクリートが急激に硬化してクラック等が発生するのを防止するとともに、初期強度の調整や意匠付与等の付加価値が高められ、コンクリート製品の生産性を向上できる。また、骨材として軽量で強度が高いフライアッシュを用いたので、圧縮強度を確保できるとともに、密度を小さくすることもできる。また、気泡剤を用いたので、安定的な気泡を形成し、軽量化を図ることができる。また、繊維材を添加したことで、脱型時の応力に伴う欠けや割れを防止し、養生後の長期寸法安定性を向上できるとともに、曲げ弾性率も向上してハンドリングが容易になる等、作業性や施工性が向上し、乾燥収縮によるクラックを防止することもできる。

請求項５に記載のコンクリート部材の製造方法は、請求項４に記載のコンクリート部材の製造方法において、前記養生は、オートクレーブ養生であることを特徴とする。
ここで、オートクレーブ養生とは、高温・高圧蒸気下で行う養生をいう。
この発明によれば、オートクレーブ養生を行ったので、普通ポルトランドセメントとケイ酸の化学反応が促進されて短期間に強度発現できるうえに、コンクリート製品の成形性や、オートクレーブ養生後の長期寸法安定性を向上させることができる。

請求項６に記載のコンクリート部材の製造方法は、請求項４または請求項５に記載のコンクリート部材の製造方法において、前記スラリーペーストを打設する型枠に予め仕上げ材を取り付けておき、打設したスラリーペーストの効果に伴いコンクリート部材と仕上げ材とを一体化させることを特徴とする。
この発明によれば、コンクリート部材表面の仕上げ材であるタイルや石等を予め型枠に取り付けておいて、型枠に打設したスラリーペーストの硬化によって一体化させることで、コンクリート部材を製造してから仕上げ材を貼り付ける必要がなく、手間を省略して製造効率を向上させることができる。

請求項７に記載のコンクリート部材は、請求項４から請求項６のいずれかに記載のコンクリート部材の製造方法で形成されたことを特徴とする。
この発明によれば、低密度かつ所定の強度のコンクリートが得られるから、コンクリート部材を様々な用途、例えば、下水道、河川暗渠水道、橋梁、カーテンウォール、外壁仕上材等の様々なコンクリート構造物に応用できる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜４には、それぞれ本実施形態のコンクリート部材である外壁材１を製造する製造装置１０が示されている。また、図５には、外壁材１の製造方法のフローチャート（ＳＴ１〜ＳＴ６）が示されている。
製造装置１０は、図１に示すように、各材料（後述）を貯蔵するタンク（貯蔵装置）１１と、このタンク１１内の各材料を計量して所定量だけ取り出す計量器（計量装置）１２と、この計量器１２で計量された各材料を混練する混練手段であるミキサー１３，１４と、このミキサー（スラリーミキサー）１３で混練りされたスラリーペーストをコンクリート型枠２に打設する打設装置１５とを備えている。ここで、タンク１１および計量器１２によって、本発明の供給手段が構成されている。

そして、各タンク１１には、セメントサイロから供給される普通ポルトランドセメントと、シリカサイロから供給されるシリカと、水と、気泡剤（ポリオキシエチレンスルホン酸系気泡剤）と、減水剤（ポリカルボン酸系減水剤）と、遅延剤（有機酸およびその塩からなる遅延剤）と、フライアッシュ（中空状のフライアッシュバルーン）と、繊維材（耐熱性ポリプロピレン繊維からなる繊維材）と、急硬材（カルシウムアルミネート系化合物からなる急硬材）と、を含んだ各材料が各々貯蔵されている。シリカは、天然シリカまたは合成シリカに再生シリカを混合比２０％で混合したものである。
これらの各材料のうち、普通ポルトランドセメント、シリカ、水、気泡剤、減水剤、遅延剤、フライアッシュ、および繊維材は、計量器１２を介してミキサー１３に供給されるようになっている。また、水、遅延剤、および急硬材は、一旦ミキサー１４で撹拌された後に、ミキサー１３に供給されるようになっている。

また、製造装置１０は、図２〜図４に示すように、打設された外壁材１を搬送する搬送手段としてのローラコンベヤ１６と、ヒータにより外壁材１を保温養生する温調ドーム１７と、コンクリート型枠２を反転させて外壁材１を脱型する反転装置１８と、搬送された外壁材１を養生ラック２０にセットする昇降機１９と、養生ラック２０にセットされた外壁材１を養生する養生手段としての養生室２１およびオートクレーブ養生室２２と、外壁材１を乾燥させる乾燥室２３と、外壁材１に塗装する塗装装置２４と、塗装を乾燥させる温調ドーム２５とを備えている。

すなわち、図２に示すように、打設装置１５によりローラコンベヤ１６上のコンクリート型枠２にスラリーペーストを打設して形成された外壁材１は、そのコンクリート硬化前に裏面を均したり適宜な凹凸を設けたりする裏面調整が実施された後に、ローラコンベヤ１６によって温調ドーム１７に搬送され、温調ドーム１７内のヒータにより所定の温度で養生される。
そして、図３に示すように、脱型可能な程度まで硬化した外壁材１は、反転装置１８で反転されて脱型され、さらにローラコンベヤ１６で搬送され、昇降機１９によって養生ラック２０にセットされ、養生ラック２０とともに養生室２１内に搬入されて養生される。なお、型枠２には、スラリーペーストの打設前に仕上げ材であるタイルが取り付けられており、反転装置１８で反転されて脱型された外壁材１の表面には、タイルが一体化されて固定されている。
次に、養生室２１内で所定時間だけ養生された外壁材１は、図４に示すように、再び昇降機１９によって次の養生ラック２０にセットされ、養生ラック２０とともにオートクレーブ養生室２２内に搬入されてオートクレーブ養生され、この後、乾燥室２３に搬入されて乾燥される。乾燥が終了した外壁材１は、昇降機１９によってローラコンベヤ１６に載置されて塗装装置２４まで搬送され、塗装装置２４により表裏両面に塗装された後、温調ドーム２５に送られて乾燥されるようになっている。

次に、本実施形態の外壁材１の製造方法を、図５に基づいて説明する。
先ず、第１混練工程（ＳＴ１）では、普通ポルトランドセメントと、シリカと、気泡剤と、水と、減水剤と、遅延剤（遅延剤Ａ）と、フライアッシュとを攪拌ミキサー１３で混練してスラリーペーストを生成する。
次に、繊維材添加工程（ＳＴ２）では、ＳＴ１で生成されたスラリーペーストに繊維材を添加する。
そして、第２混練工程（ＳＴ３）では、繊維材が添加されたスラリーペーストを攪拌ミキサー１３で混練して繊維材入りスラリーペーストを生成する。
さらに、第３混練工程（ＳＴ４）では、急硬材と、水と、遅延剤（遅延剤Ｂ）とを、先ずミキサー１４で撹拌し、混練りした後に、この混練りしたペーストを攪拌ミキサー１３に送り、第２混練工程（ＳＴ３）で生成された繊維材入りスラリーペーストに添加して混練りする。このとき、急硬材の割合を適宜調整する。

次に、打設工程（ＳＴ５）では、ＳＴ４で生成されたスラリーペーストを打設装置１５を介してコンクリート型枠２に打設し、外壁材１の裏面を調整する。これに続いて、外壁材１をコンクリート型枠２から脱型し、反転装置１８で反転させた後に、養生ラック２０に並べてセットする。
そして、養生工程（ＳＴ６）では、養生ラック２０にセットされた外壁材１を養生室２１内に搬入し、湿潤状態で養生する。
続いて、オートクレーブ養生工程（ＳＴ７）では、外壁材１をオートクレーブ養生室２２内に搬入し、オートクレーブ養生する。これに続いて、乾燥室２３で外壁材１を乾燥させた後、塗装装置２４で外壁材１に塗装し、温調ドーム２５で乾燥させて製造が完了する。

このような本実施形態によれば以下の効果がある。
（１）すなわち、所定の混合比（２０％）でシリカに再生シリカが混合されているので、天然シリカ（珪砂）や合成シリカの割合を低減させて原材料費を抑制し、外壁材１の製造コストを低減させることができる。そして、天然材料の使用比率を減らして、廃棄物等からの再生材料である再生シリカの使用比率を高めることで、天然資源が保全できるとともに、廃棄物を有効利用することもできる。

（２）減水剤を用いたので、水粉体比を低下させることができるから、コンクリート強度を高めることができる。また、コンクリートの硬化を促進する急硬材と、コンクリートの硬化を抑制する遅延剤とを用いたので、コンクリートが急激に硬化してクラック等が発生するのを防止するとともに、初期強度の調整や意匠付与等の付加価値が高められ、外壁材１の生産性を向上できる。また、骨材として軽量で強度が高い中空部を有したフライアッシュを用いたので、圧縮強度を確保できるとともに、密度を小さくすることもできる。また、繊維材を添加したことで、脱型時の応力に伴う欠けや割れを防止し、養生後の長期寸法安定性を向上できるとともに、曲げ弾性率も向上してハンドリングが容易になる等、作業性や施工性が向上し、乾燥収縮によるクラックを防止することもできる。

（３）オートクレーブ養生を行ったので、普通ポルトランドセメントとケイ酸の化学反応が促進されて短期間に強度発現できるうえに、外壁材１の成形性や、オートクレーブ養生後の長期寸法安定性を向上させることができる。
（４）外壁材１の表面仕上げ材であるタイルを予め型枠２に取り付けておいて、型枠２に打設したスラリーペーストの硬化によって一体化させることで、外壁材１を製造してからタイルを貼り付ける必要がなく、手間を省略して製造効率を向上させることができる。
（５）急硬材の割合を調整したので、低密度かつ所定の強度のコンクリートが得られるから、外壁材１のみならず様々な用途、例えば、下水道、河川暗渠水道、橋梁、カーテンウォール、外壁仕上材、床版や屋根版などのスラブ部材等のコンクリート部材に応用できる。

天然シリカ単独のシリカと、天然シリカに再生シリカを混合したシリカとにおいて、粒度分布および化学成分を測定した。
[材料]
天然シリカ１００％の単体シリカ（(株)三栄シリカ製)
天然シリカ８０％、再生シリカ２０％の混合シリカ（(株)三栄シリカ製)
[測定方法]
粒度分布の測定は、レーザー回折散乱法（(株)日機装製 粒度分析計マイクロトラックＨＲＡ）を用いて行った。
化学成分の測定は、蛍光Ｘ線分析法（理学電機工業(株)製 ＺＳＸ１００Ｓ）を用いて行った。

[結果]
単体シリカの粒度分布を図６に示し、混合シリカの粒度分布を図７に示す。また、単体シリカおよび混合シリカの各々の化学成分を表１に示す。
図６、７より、単体シリカと混合シリカとにおいて、粒度分布の差異はほとんど見られず、コンクリート部材を製造する上で練り混ぜ性等に差のないことが確認できた。
また、表１より、単体シリカと比較して混合シリカにおいて、二酸化珪素（ＳiＯ₂）が若干少なく、酸化アルミ（アルミナ、Ａl₂Ｏ₃）や酸化鉄（Ｆe₂Ｏ₃）が若干多いことが確認できたが、製造するコンクリート部材の性能上、問題とはならない程度の範囲に収まっていることが確認できた。

なお、本発明は前記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。

本発明のコンクリート材料、コンクリート部材およびその製造方法によれば、次のような効果が得られる。
請求項１に記載のコンクリート材料、請求項２に記載のコンクリート部材、および請求項４に記載のコンクリート部材の製造方法によれば、再生シリカを所定の混合比（２０％以下が好ましい）でシリカに混合したことで、天然シリカ（珪砂）や合成シリカの割合を低減させて原材料費を抑制し、製造コストを低減させることができる。そして、天然材料の使用比率を減らして、廃棄物等からの再生材料の使用比率を高めることで、天然資源が保全できるとともに、廃棄物を有効利用することもできる。

請求項５に記載のコンクリート部材の製造方法によれば、オートクレーブ養生を行ったので、普通ポルトランドセメントとケイ酸の化学反応が促進されて短期間に強度発現できるうえに、コンクリート製品の成形性や、オートクレーブ養生後の長期寸法安定性を向上させることができる。

請求項６に記載のコンクリート部材の製造方法によれば、コンクリート部材表面の仕上げ材であるタイルや石等を予め型枠に取り付けておいて、型枠に打設したスラリーペーストの硬化によって一体化させることで、コンクリート部材を製造してから仕上げ材を貼り付ける必要がなく、手間を省略して製造効率を向上させることができる。

請求項７に記載のコンクリート部材によれば、低密度かつ所定の強度のコンクリートが得られるから、コンクリート部材を様々な用途、例えば、下水道、河川暗渠水道、橋梁、カーテンウォール、外壁仕上材等の様々なコンクリート構造物に応用できる。

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。

本発明の一実施形態に係るコンクリート部材の製造装置を示す図である。 前記製造装置を示す図である。 前記製造装置を示す図である。 前記製造装置を示す図である。 前記コンクリート部材の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例に係るシリカの粒度分布を示す図である。 前記実施例に係るシリカの粒度分布を示す図である。

符号の説明

１ コンクリート部材としての外壁材
２ 型枠
ＳＴ１ 第１混練工程
ＳＴ２ 繊維材添加工程
ＳＴ３ 第２混練工程
ＳＴ４ 第３混練工程
ＳＴ５ 打設工程
ＳＴ６ 養生工程
ＳＴ７ オートクレーブ養生工程。

Claims (7)

1. 普通ポルトランドセメントと、シリカと、水と、気泡剤と、減水剤と、遅延剤と、フライアッシュと、繊維材と、急硬材とを備え、前記シリカには所定の混合比で再生シリカが混合されていることを特徴とするコンクリート材料。
2. 普通ポルトランドセメントと、シリカと、水と、気泡剤と、減水剤と、遅延剤と、フライアッシュと、繊維材と、急硬材とを備えるとともに、前記シリカには所定の混合比で再生シリカが混合されたコンクリート材料から形成されることを特徴とするコンクリート部材。
3. 請求項２に記載のコンクリート部材において、
   前記シリカに混合する再生シリカの混合比は、２０％以下であることを特徴とするコンクリート部材。
4. 普通ポルトランドセメントと、シリカと、水と、気泡剤と、減水剤と、遅延剤と、フライアッシュと、繊維材と、急硬材とを用い、前記シリカに所定の混合比で再生シリカを混合しておき、
   前記ポルトランドセメント、シリカ、水、気泡剤、減水剤、遅延剤およびフライアッシュを混練してスラリーペーストを生成し、このスラリーペーストに前記繊維材を添加し混練して繊維材入りスラリーペーストを生成し、さらに、この繊維材入りスラリーペーストに前記急硬材、水および遅延剤を添加して攪拌し、打設した後に養生することを特徴とするコンクリート部材の製造方法。
5. 請求項４に記載のコンクリート部材の製造方法において、
   前記養生は、オートクレーブ養生であることを特徴とするコンクリート部材の製造方法。
6. 請求項４または請求項５に記載のコンクリート部材の製造方法において、
   前記スラリーペーストを打設する型枠に予め仕上げ材を取り付けておき、打設したスラリーペーストの硬化に伴いコンクリート部材と仕上げ材とを一体化させることを特徴とするコンクリート部材の製造方法。
7. 請求項４から請求項６のいずれかに記載のコンクリート部材の製造方法で形成されたことを特徴とするコンクリート部材。

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