JP2007197263A

JP2007197263A - モルタル組成物

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Publication number: JP2007197263A
Application number: JP2006018457A
Authority: JP
Inventors: Makoto Ichitsubo; 誠市坪; Shinya Maki; 慎也牧; Takashi Nakajima; 嵩中島
Original assignee: Chuden Kankyo Technos Co Ltd
Current assignee: Chuden Kankyo Technos Co Ltd
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2026-01-27
Also published as: JP5041706B2

Abstract

【課題】セメントを使用せずに、石炭と石灰石とを加圧流動床で燃焼させた時に残った灰（以下「ＰＦＢＣ灰」という）を使用したモルタル組成物を提供することである。
【解決手段】本発明のモルタル組成物は、結合材、細骨材、及び水を含むモルタル組成物であって、セメントを含まず、かつ結合材がＰＦＢＣ灰であることを特徴とする。これにより、結合材として、セメントに代えてＰＦＢＣ灰を使用した、すなわちセメントを使用しないモルタル組成物を得られる。さらに、前記モルタル組成物は、実用上十分な強度を有し、かつ耐硫酸性に優れている。
【選択図】なし

Description

本発明は、結合材、細骨材、及び水を含むモルタル組成物に関する。

石炭火力発電所からは、フライアッシュやクリンカアッシュ等の様々な種類の石炭灰が排出される。フライアッシュは、コンクリートの長期強度を向上させ、或いは乾燥収縮を減少させるために、ダムや道路舗装でのコンクリート混和材として広く利用されている。また、クリンカアッシュは、水分保持力が大きいことや硬くつぶれにくいことから、透水性歩道の路盤や雨水貯留材として利用されている。

しかしながら、石炭火力発電所の副産物の全てが有効に利用されているわけではない。中でも、石炭と石灰石を加圧流動床で燃焼（Pressurized Fluidized Bed Combustion）させた後に残った灰（「ＰＦＢＣ灰」と称される）は、フライアッシュに比べてＳｉＯ_２の含有率が低く、ＣａＯ及びＳＯ_２の含有率が多いことから、フライアッシュのＪＩＳ規格を満たさず、フライアッシュのように有効利用されていない。

ＰＦＢＣ灰の利用例としては、下記の文献に記載されているように、一般的なコンクリート組成物に含まれるセメント及び細骨材の代替材料、或いは混和材として、ＰＦＢＣ灰をセメントに混ぜて使用することが知られている。

特許文献１では、セメントのおよそ 60 重量％をＰＦＢＣ灰で代替し、実用上十分な圧縮強度を有するコンクリート組成物が提案されている。

特許文献２では、ＰＦＢＣ灰からなる混和材が提案されている。すなわち、コンクリート組成物における混和材として、脱硫のための石炭を石灰石粉と共に加圧流動床において燃焼反応させた後に集塵設備から採取した石炭灰が使用される。また、この混和材を、コンクリートのセメント成分の 15 重量％〜 30 重量％を置換する割合で使用することにより、コンクリート強度を 10 % 〜30 % 程度改善できることが示されている。

特開平１１−１４７７４７号公報特開平１１−０１２０００号公報

しかしながら、上記特許文献１、２の発明は、いずれもセメントを含むコンクリート組成物において、セメントの一部をＰＦＢＣ灰で代替するものである。すなわち、公知の技術では、コンクリート組成物の結合材としてセメントを含有することが必須であり、たとえＰＦＢＣ灰を使用しても、従来の一般的な（ＰＦＢＣ灰を使用しない）コンクリート組成物と同程度の強度、或いはそれ以上の強度を有することが要求されるため、ＰＦＢＣ灰は、セメントの一部を代替して使用されるに過ぎず、当然セメント全部を代替するものではなく、それができるとも考えられていなかった。従って、従来のコンクリート組成物において、ＰＦＢＣ灰の使用量は限られていた。

本発明者は、ＰＦＢＣ灰をより有効に利用するには、セメント全部を代替する材料として使用することが望ましいとの観点から、セメントを使用しているモルタル組成物に着目した。モルタル組成物は、その用途によりコンクリート組成物と同程度の強度を有する必要はないため、モルタルのセメント全部をＰＦＢＣ灰で代替しても、ＪＩＳ規格を満たす強度を有するモルタル組成物が得られると考えられる。

本発明は、以上の点に鑑み、ＰＦＢＣ灰を使用して実用性のあるモルタル組成物を提供することを目的とする。

本発明は、結合材、細骨材及び水を含むモルタル組成物において、結合材がＰＦＢＣ灰であり、セメントを含まないことを特徴とする。

本発明のモルタル組成物は、前記ＰＦＢＣ灰に加えて、例えば高炉スラグ微粉末のような結合材を含んでもよい。また、細骨材は、後述の混合砂や高炉スラグ水砕砂であってもよい。

本発明のモルタル組成物において、水に対する結合材の割合（以下「結合材水比」という）は 1.7 〜 2.3 で、細骨材に対する結合材の割合（以下「結合材細骨材比」という）は 3.0 程度であることが好ましい。ただし、これらの割合は、結合材や細骨材の種類に応じて適宜増減できる。

また、本発明のモルタル組成物は、材齢 28 日で圧縮強度が 18 N/mm² 以上、曲げ強度が圧縮強度の 1/5 〜 1/7 程度以上有することを特徴とする。

さらに、本発明のモルタル組成物は、前記ＰＦＢＣ灰がアルカリ刺激材として働くことにより、潜在水硬性を発現させ、緻密な硬化体組織を有することを特徴とする。

本発明のモルタル組成物は、結合材としてセメントを使用せず、従来含有していたセメント全部をＰＦＢＣ灰で代替するので、ＰＦＢＣ灰の使用を増進し、その有効利用を飛躍的に向上させるものである。また、セメントに代えて、廃棄物であるＰＦＢＣ灰を使用するので、安価なモルタル組成物を提供できる。

さらに、本発明のモルタル組成物は、実施例からわかるように、モルタル組成物として実用上十分な強度を有することに加えて、優れた耐硫酸性を有する。従って、本発明のモルタル組成物は、下水道関連施設及び温泉地等の硫酸による劣化を受ける構造物に好適に使用され、耐硫酸性の補修用材料として活用できる。

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

下記の実施例は、モルタル組成物として十分な強度と優れた耐硫酸性を有することを示す。

実施例は、結合材としてＰＦＢＣ灰及び高炉スラグ微粉末、細骨材として混合砂をそれぞれ使用して作製したモルタル組成物であり、その圧縮強度及び曲げ強度を測定した。混合砂は、海砂と山砂を１：１の割合で混合したものである。

また、比較例として、ＰＦＢＣ灰の代わりに普通ポルトランドセメント（以下「普通セメント」という）を使用して作製したモルタル組成物についても、同様に強度を測定した。

まず、実施例、比較例でそれぞれ使用された結合材と細骨材の比表面積、密度、及び吸水率を、表１に示す。

次に、実施例、比較例において使用された結合材（ＰＦＢＣ灰、普通セメント、高炉スラグ）及び細骨材（混合砂、高炉スラグ水砕砂）の化学組成を、表２に示す。

更に、実施例、比較例のモルタル組成物の示方配合量を、表３に示す。示方配合とは、所定の品質のコンクリートが得られるような配合で、仕様書又は責任技術者によって指示される配合のことである。

表３において、「１７１００」のように５桁の供試体番号を有する供試体は、結合材としてＰＦＢＣ灰と高炉スラグ微粉末を使用した供試体であり、上２桁は結合材水比を、下３桁はＰＦＢＣ灰高炉スラグ微粉末比を示す。また、「ＲＥ１７」のように４桁の供試体番号を有する供試体は、結合材として普通セメントと高炉スラグ微粉末を使用した供試体であり、下２桁は結合材水比を示す。

表３に示される配合で調製し硬化させて、モルタル組成物を作製した。養生条件としては、所定の日数（7、28、91 日）まで 20 ℃ で水中標準養生とした。得られたモルタル組成物について、圧縮強度及び曲げ強度をJIS R 5201に準拠して測定した。

上記の実施例及び比較例のモルタル組成物について、圧縮強度試験の結果を表４、曲げ強度試験の結果を表５に示す。

表４から、ＰＦＢＣ灰が使用された供試体はいずれも、普通セメントが使用された供試体と比較して強度が 55 % 〜 60 % 程度劣っているものの、材齢 28 日で 18 N/mm² 前後となり、JIS A 5308（材齢 28 日における予備強度が18 N/mm² 以上）を満たすことがわかる。また、表５から、ＰＦＢＣ灰が使用された供試体はいずれも、普通セメントが使用された供試体と比較して強度が 35 % 〜50 % 程度劣っているものの、材齢 28 日で 5 N/mm² 前後となり、下記の文献１）及び２）に記載されている曲げ強度の条件（圧縮強度の 1/5 〜 1/7 程度以上）を満たすことがわかる。

１）竹村和夫ほか共著：建設材料、森北出版、p.88、1998
２）田澤栄一編著：エースコンクリート工学、朝倉書店、p.81、2004
従って、ＰＦＢＣ灰が使用されたモルタル組成物は、実用上十分な強度を有し、用途によってＰＦＢＣ灰を普通セメントの代替材料として使用できることがわかる。

次に、ＰＦＢＣ灰が使用されたモルタル組成物の結合材水比と強度の関係を説明する。図１は、実施例のモルタル組成物の結合材水比と圧縮強度の関係を示す図である。図２は、実施例のモルタル組成物の結合材水比と曲げ強度の関係を示す図である。条件を揃えるために、高炉スラグ微粉末に対するＰＦＢＣ灰の割合（以下「ＰＦＢＣ灰／高炉スラグ微粉末比」という）が 1.0 である供試体のデータがプロットされている。

図１及び図２から、ＰＦＢＣ灰が使用された供試体において、圧縮強度と結合材水比、及び曲げ強度と結合材水比には、それぞれ線形関係が成立しているので、モルタル組成物に使用されるＰＦＢＣ灰の量が増えるほど、圧縮強度及び曲げ強度が向上することがわかる。

以上から、ＰＦＢＣ灰が使用されたモルタル組成物は、実用上十分な強度を有しており、用途によってＰＦＢＣ灰を普通セメントの代替材料として使用できること、そしてモルタル組成物に使用されるＰＦＢＣ灰の量が増えるほど、圧縮強度及び曲げ強度が向上することがわかる。

次に、結合材にはＰＦＢＣ灰及び高炉スラグ微粉末を使用する一方、細骨材には混合砂又はこれに代えて高炉スラグ水砕砂を使用したモルタル組成物を作製し、その耐硫酸性を測定した。また、比較例として、ＰＦＢＣ灰の代わりに普通セメントを使用して作製したモルタル組成物についても測定した。なお、実施例のモルタル組成物に使用された原料は、前記強度試験で使用された原料と同じものである。

この実施例及び比較例のモルタル組成物の示方配合量を、表６に示す。表３との違いは、高炉スラグ水砕砂の列が追加されていることと、示方配合量の値である。

表６で、「ｎ２００５０」のように６桁の供試体番号を有する供試体は、結合材としてＰＦＢＣ灰と高炉スラグ微粉末とが使用された供試体であり、「ＮＣｎ」のように３桁の供試体番号を有する供試体は、結合材として普通セメントが使用された供試体であることを示す。また、「ｎ」、「ｂ」は、細骨材としてそれぞれ混合砂、高炉スラグ水砕砂が使用されたことを示す。

表６に示される配合で調製し、4 × 4 × 4 cm³ に成型し、硬化させて、モルタル組成物を作製した。養生条件としては、材齢 21 日まで 20 ℃ で水中標準養生とした。得られたモルタル組成物を 10％硫酸溶液に浸漬し、所定の日数毎（0、1、2、4、8、16、32 日）に質量を測定した。

図３は、細骨材に混合砂を使用した実施例及び比較例のモルタル組成物の耐硫酸性試験結果を示し、図４は、高炉スラグ水砕砂を使用した実施例及び比較例のモルタル組成物の耐硫酸性試験結果を示す図である。

図３から、ＰＦＢＣ灰が使用された供試体（ｎ２００５０、ｎ２０１００、ｎ２０１２５）は、普通セメントが使用された供試体（ＮＣｎ）に比べて質量減少率が約 20 % 小さく、耐硫酸性が高いことがわかる。また、ＰＦＢＣ灰の使用量が多いほど質量減少率が小さく、耐硫酸性が高くなることがわかる。

また、図４から、ＰＦＢＣ灰が使用された供試体（ｂ２００５０、ｂ２０１００、ｂ２０１２５）は、普通セメントが使用された供試体（ＮＣｂ）に比べて質量減少率が約 10 % 小さく、耐硫酸性が高いことがわかる。また、ＰＦＢＣ灰の使用量が多いほど、質量減少率が大きく、耐硫酸性が低くなることがわかる。

最後に、先述の耐硫酸性試験の質量減少率と結合材及び細骨材の化学成分との関係について説明する。図５は、重回帰分析結果を示す図であり、（Ａ）は重回帰式を示す表、（Ｂ）は精度を示す表、（Ｃ）は分散分析を示す表である。

先述の耐硫酸性試験の 32 日目の質量減少率の値について、結合材及び細骨材を構成する化学成分の中で主成分であるＳｉＯ_２及びＣａＯを、説明変数（独立変数）として選定し、重回帰分析を実施した。なお、有意水準は 0.05 であり、分析精度は良いと判断できる。

分析の結果、図５（Ｃ）中の決定係数が 0.9662 であり 1 に十分近いので、これら４つの成分（結合材中のＳｉＯ_２、結合材中のＣａＯ、細骨材中のＳｉＯ_２、細骨材中のＣａＯ）が耐硫酸性に寄与すると考えられる。

図５（Ａ）中の偏回帰係数は、耐硫酸性に及ぼす説明変数の影響力を意味する。正の値は耐硫酸性を低下させることを意味し、負の値は耐硫酸性を向上させることを意味する。従って、正の値を示している結合材中のＳｉＯ_２と細骨材中のＣａＯが耐硫酸性を向上させ、負の値を示している結合材中のＣａＯと細骨材中のＳｉＯ_２が耐硫酸性を低下させることがわかる。また、図５（Ａ）中の標準偏回帰係数は、耐硫酸性に及ぼす説明変数の相対的な影響力を意味し、絶対値の大きい負の値は耐硫酸性を向上させることを意味する。従って、絶対値の大きい負の値を示している細骨材中のＣａＯが耐硫酸性を向上させることがわかる。

この重回帰分析結果は、先述の耐硫酸性試験結果と一致する。すなわち、ＰＦＢＣ灰が使用された供試体（ｎ２００５０、ｂ２００５０等）が、普通セメントが使用された供試体（ＮＣｎ、ＮＣｂ）に比べて耐硫酸性に優れるのは、ＰＦＢＣ灰は普通セメントに比べてＳｉＯ_２の含有量が多く、ＣａＯの含有量が少ないためだと考えられる。また、高炉スラグ水砕砂が使用された供試体（ｂ２００５０）が、混合砂が使用された供試体（ｎ２００５０）に比べて耐硫酸性に優れるのは、高炉スラグ水砕砂は混合砂に比べてＣａＯの含有量が多いためだと考えられる。

実施例のモルタル組成物の結合材水比と圧縮強度の関係を示す図である。実施例のモルタル組成物の結合材水比と曲げ強度の関係を示す図である。混合砂が使用された、実施例及び比較例のモルタル組成物の耐硫酸性試験結果を示す図である。高炉スラグ水砕砂が使用された、実施例及び比較例のモルタル組成物の耐硫酸性試験結果を示す図である。重回帰分析結果を示す図であり、（Ａ）は重回帰式を示す表、（Ｂ）は精度を示す表、（Ｃ）は分散分析を示す表である。

Claims

結合材、細骨材、及び水を含むモルタル組成物において、結合材がＰＦＢＣ灰であり、セメントを含まないことを特徴とするモルタル組成物。
請求項１記載のモルタル組成物において、前記ＰＦＢＣ灰の他に結合材を含むことを特徴とするモルタル組成物。
請求項２記載のモルタル組成物において、前記結合材は高炉スラグ微粉末であることを特徴とするモルタル組成物。
請求項１乃至３のいずれか記載のモルタル組成物において、前記細骨材は海砂と山砂を１：１の割合で混合した砂であることを特徴とするモルタル組成物。
請求項１乃至３のいずれか記載のモルタル組成物において、前記細骨材は高炉スラグ水砕砂であることを特徴とするモルタル組成物。
請求項１乃至６のいずれか記載のモルタル組成物において、材齢 28 日で 18 N/mm² 以上の圧縮強度と、該圧縮強度の 1/5 〜 1/7 程度以上の曲げ強度とを有することを特徴とするモルタル組成物。
請求項１乃至６のいずれか記載のモルタル組成物において、前記ＰＦＢＣ灰がアルカリ刺激材として働くことにより緻密な硬化体組織を有することを特徴とするモルタル組成物。