JP2007332010A - セメント組成物及びこれを含むコンクリート - Google Patents

Abstract

【課題】 ひび割れが発生しても十分な止水性能を維持できるような優れた自己修復性を有するコンクリートを得ることができるセメント組成物及びこれを用いたコンクリートを提供すること。
【解決手段】 本発明のセメント組成物は、セメントと、炭酸基を有する塩又はカルボキシル基を有する化合物を含み、好適な場合、水との接触により膨張する膨張材及び／又はカルシウム含有化合物を更に含む。また、本発明のコンクリートは、上記本発明のセメント組成物に加え、水及び骨材を更に含むものである。
【選択図】 なし

Description

本発明は、セメント組成物及びこれを含むコンクリートに関する。

構造物の構築に用いられるコンクリートは、セメント、水、骨材等を含み、水和反応によって硬化する性質を有する。この硬化後のコンクリートは、応力が作用したり、温度変化や乾燥等により体積変化が生じたりすることによって、ひび割れが発生し易い傾向にあった。このようなひび割れが発生すると、コンクリートを通って水が浸入し易くなり、雨漏り等の原因となるほか、構造物の耐久性の低下や、美観の悪化といった問題が生じることになる。そこで、従来は、ひび割れの発生後に充填剤を注入して修復を行ったり、ひび割れが発生しても構造物に影響を与えないようにコンクリートに防水工、止水工を施したりする対策がとられている。

しかし、上述した修復や防水工、止水工等の対策は、必然的にコストの増加や構造物建造の際の工期の長期化等を招くこととなるため、できるだけ省略できることが望ましい。そこで、ひび割れが発生してもこれを自ら修復できる自己治癒コンクリートが開発されている（例えば、特許文献１、２参照）。これらのコンクリートは、自らひび割れを修復できる特性を有していることから、上述したような修復や防水工、止水工等を行わなかった場合であっても止水性能や耐久性を維持することができる。
特許第３６５８５６８号公報 特開２００５−２３９４８２号公報

上記特許文献１又は２のコンクリートは、優れた自己修復性を有するものであったが、コンクリートに対しては、近年、一層優れた止水性能が求められる場合が増えている。また、上記従来のコンクリートは、強度上、必要以上のセメント量が必要であったり、セメントの種類が限られたりすることが多く、十分に経済的であるとはいい難かった。

そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ひび割れが発生しても低コストで十分な止水性能を維持できるような優れた自己修復性を有するコンクリートが得られるセメント組成物及びこれを含むコンクリートを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のセメント組成物は、セメントと、炭酸基を有する塩又はカルボキシル基を有する化合物とを含むことを特徴とする。

本発明のセメント組成物は、セメントに加えて炭酸基を有する塩又はカルボキシル基を有する化合物を含むことから、コンクリートに適用して硬化させた場合、優れた止水性能を有するようになる。かかる要因については、必ずしも明らかではないものの、以下のように推測される。すなわち、本発明のセメント組成物を含むコンクリートの硬化物にひび割れが生じた場合、かかるひび割れ部分に水分が浸入すると、炭酸基を有する塩やカルボキシル基を有する化合物に由来する炭酸化合物が析出し、これによりひび割れ部分が修復される。この炭酸化合物は水への溶解性が低いことから、これが析出したひび割れ部分は水を通し難い。このように、本発明のセメント組成物を含むコンクリートは、良好な自己修復性を有しており、特に、ひび割れが発生しても優れた止水性能を維持し得るものとなる。ただし、要因については必ずしも上記に限定されない。

本発明のセメント組成物は、水との接触により膨張する膨張材を更に含むと好ましい。こうすれば、コンクリートの膨張作用により、上記の炭酸基を有する塩又はカルボキシル基を有する化合物がひび割れ部分にしみ出し易くなる。そのため、上記の炭酸化合物の析出による修復が容易となる。これらにより、本発明のセメント組成物を含むコンクリートは、止水性能をより良好に維持し得るものとなる。

また、本発明のセメント組成物は、カルシウム含有化合物を含むものであると、コンクリートに適用した場合に一層良好な止水性能が得られるようになる。これは、カルシウム含有化合物が含まれる場合、ひび割れ部分の修復の際に、カルシウム含有化合物に由来するカルシウムイオンが炭酸基を有する塩と反応して、水への溶解性が特に低い炭酸カルシウムが生じるためであると考えられる。カルシウム含有化合物が水との接触により膨張する性質を有する場合、このカルシウム化合物が上記膨張材を兼ねてもよく、他の膨張材と組み合わせて含まれていてもよい。

本発明のコンクリートは、上記本発明のセメント組成物、水及び骨材を含むことを特徴とする。かかるコンクリートは、本発明のセメント組成物を含むことから、硬化後にひび割れが生じた場合であっても、上述の如く、優れた止水性能を維持し得るものとなる。

また、本発明のコンクリートにおいては、セメント組成物に含まれる炭酸基を有する塩又はカルボキシル基を有する化合物が、３０ｋｇ／ｍ^３以下となるように含まれていると好ましい。こうすれば、コンクリートの強度を十分に維持しながら、自己修復性を向上させることが可能となる。

さらに、本発明のコンクリートにおいて、セメント組成物が上記膨張材を含む場合、膨張材は、９０ｋｇ／ｍ^３以下となるように含まれていると好ましい。こうすれば、コンクリートの強度を十分に維持しながらより優れた自己修復性を得ることが可能となる。

本発明によれば、優れた自己修復性を有し、特にひび割れが生じた場合でも優れた止水性を維持し得るコンクリートを得ることができるセメント組成物及びこれを用いたコンクリートを提供することが可能となる。

以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。

まず、好適な実施形態に係るセメント組成物について説明する。セメント組成物は、セメントと、炭酸基を有する塩又はカルボキシル基を有する化合物とを含み、好適な場合、膨張材及び／又はカルシウム含有化合物を更に含む。

セメント組成物に含まれるセメントとしては、ポルトランドセメントやその他の混合セメント等を特に制限なく適用できる。ポルトランドセメントとしては、低熱ポルトランドセメント、普通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等が挙げられる。また、混合セメントとしては、高炉セメント、シリカセメント、フライアッシュセメント等が挙げられる。セメントとしては、ポルトランドセメントが好ましく、なかでも普通ポルトランドセメントが好ましい。

炭酸基を有する塩としては、金属の炭酸塩が好適であり、例えば、Ｌｉ_２ＣＯ_３（炭酸リチウム）、Ｎａ_２ＣＯ_３（炭酸ナトリウム）、Ｋ_２ＣＯ_３（炭酸カリウム）、ＭｇＣＯ_３（炭酸マグネシウム）、ＬｉＨＣＯ_３（炭酸水素リチウム）、ＮａＨＣＯ_３（炭酸水素ナトリウム）、ＫＨＣＯ_３（炭酸水素カリウム）、Ｍｇ（ＨＣＯ_３）_２（炭酸水素マグネシウム）等が挙げられる。また、カルボキシル基を有する化合物としては、フマル酸、マレイン酸、リンゴ酸、クエン酸、シュウ酸、コハク酸、ギ酸、フタル酸等が挙げられる。なかでも、炭酸基を有する塩が好ましく、ＮａＨＣＯ_３（重曹）が、安価で入手が容易であり、しかもコンクリートのひび割れを修復する特性に優れることから特に好ましい。この炭酸基を有する塩又はカルボキシル基を有する化合物は、セメント組成物中で、１０質量％以下となるように含まれていると好ましく、０．０１〜３質量％を満たすように含まれているとより好ましい。

膨張材は、水との接触により膨張する性質を有する成分である。かかる膨張材としては、水和反応により結晶を生じて膨張するものが好適である。例えば、水和反応によりエトリンガイトや水酸化カルシウムの結晶を生じるセメント系膨張材が例示できる。セメント組成物は、膨張材として、単一種のものを含んでいてもよく、複数種のものを組み合わせて含んでいてもよい。この膨張材のセメント組成物中の好適な含有量は、３０質量％以下であり、１〜２０質量％であるとより好ましい。

カルシウム含有化合物は、水との接触によりカルシウムイオンを供給できる化合物であると好ましい。このカルシウム含有化合物としては、例えば、酸化カルシウム（ＣａＯ；生石灰）、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２；消石灰）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）等が挙げられる。セメント組成物は、カルシウム含有化合物として、単一種のものを含んでいてもよく、複数種のものを組み合わせて含んでいてもよい。

なかでも、カルシウム含有化合物としては、水との接触により膨張する性質を有するものであると好適である。上述したカルシウム含有化合物のうち、ＣａＯは、水との反応によりＣａ（ＯＨ）_２を生じるが、この反応は体積膨張反応である。したがって、ＣａＯは、膨張性のカルシウム含有化合物として好適である。

カルシウム含有化合物が水との接触により膨張性を有する場合は、かかるカルシウム含有化合物自体が上記膨張材を兼ねてもよく、かかるカルシウム含有化合物とこれ以外の膨張材とを組み合わせて含有してもよく、かかるカルシウム含有化合物を膨張材として含み、膨張性を有しないカルシウム含有化合物（例えば、Ｃａ（ＯＨ）_２）を更に組み合わせて含有してもよい。セメント組成物の特性を良好に維持するほか、コストの低減を図る観点からは、カルシウム含有化合物が膨張材を兼ねることが好ましく、このような成分としてＣａＯを含むと特に好ましい。

セメント組成物は、上述した各成分に加え、セメント結晶の生成を促進する無機質セメント結晶増殖剤を更に含んでいてもよい。この無機質セメント結晶増殖剤としては、例えば、ポルトランドセメント組成物と、微細シリカ、水ガラス、ケイフッ化マグネシウム又はマグネシア、及び、シリカを含むケイフッ化物のうちの少なくとも一種からなる水溶性ケイフッ化物と、を含む組成を有するものが挙げられる（特許２５２１２７４号公報参照）。このようなセメント結晶増殖材は、コンクリートにひび割れが生じた場合、このひび割れ部分に浸透してこの部分に結晶を生じさせることができる。したがって、かかるセメント結晶増殖材を更に含むことで、本実施形態のセメント組成物を含むコンクリートは、一層優れた自己修復性を有するようになる。

次に、上記のセメント組成物を含むコンクリートの好適な実施形態について説明する。コンクリートは、上記のセメント組成物に加え、水及び骨材を含み、必要に応じて他の混和剤を更に含む組成を有する。

骨材としては、粗骨材や細骨材が挙げられる。ここで、セメント組成物に、骨材として粗骨材と細骨材との両方を加えたものは通常コンクリートと呼ばれ、細骨材のみを加えたものは通常モルタルと呼ばれるが、本発明のコンクリートは、これらの両方を含むこととする。粗骨材としては、川砂利、海砂利、山砂利、砕石、スラグ砕石等が挙げられ、細骨材としては、川砂、海砂、山砂等が挙げられる。なお、粗骨材と細骨材とは、通常の分類（ふるい分け等）によって区別することができる。

また、混和剤としては、ＡＥ剤、減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤等が挙げられる。これらは、コンクリートの所望の特性に応じて選択することが好ましい。さらに、コンクリートは、繊維を更に含んでいてもよい。繊維としては、例えば、ポリプロピレン系、ポリビニルアルコール系、ナイロン系、ポリアミド系等の化学繊維、炭素繊維、はがね、わら等が挙げられる。

コンクリートにおいて、セメント組成物（Ｐ）に対する水（Ｗ）の割合（水粉体比（Ｗ／Ｐ）、質量基準）は、７０％以下とすることが好ましく、６０％以下とすることがより好ましい。この水粉体比が７０％を超えると、硬化後のコンクリート中に多量の水が残存することとなり、強度が不十分となるおそれがある。

コンクリート中の炭酸基を有する塩又はカルボキシル基を有する化合物の含有量は、コンクリートにおいて３０ｋｇ／ｍ^３以下となる量であると好ましく、０．０３〜１０ｋｇ／ｍ^３となる量であるとより好ましく、０．１〜５ｋｇ／ｍ^３となる量であると更に好ましい。コンクリートにおいて、この含有量が３０ｋｇ／ｍ^３を超える量となると、相対的にセメントの含有割合が小さくなり、硬化後のコンクリートの強度が不十分となる場合がある。

また、コンクリートが膨張材を含む場合、かかる膨張材の含有量は、コンクリートにおいて９０ｋｇ／ｍ^３以下となる量であると好ましく、３〜６０ｋｇ／ｍ^３となる量であるとより好ましく、５〜４５ｋｇ／ｍ^３となる量であると更に好ましい。膨張材の含有量が９０ｋｇ／ｍ^３を超える量であると、硬化後のコンクリートの強度が不十分となるおそれがある。

上記構成を有するコンクリートは、硬化後にひび割れが生じた場合であっても、以下に示すようなメカニズムによってこのひび割れを良好に自己修復することができると考えられる。以下、炭酸基を有する塩としてＮａＨＣＯ_３を含むのに加え、膨張材及びカルシウム含有化合物としてＣａＯのみを含む場合にひび割れ部分が修復されるメカニズムを例に挙げて説明する。

すなわち、硬化後のコンクリートにひび割れが生じると、ＣａＯの水和に伴う作用によってひび割れ部分に滲み出したカルシウム成分（Ｃａイオン等）及びＮａＨＣＯ_３は、このひび割れ部分で互いに反応して水への溶解性が低い結晶（ＣａＣＯ_３）を生じる。これらによって、硬化後のコンクリートに生じたひび割れ部分は容易に塞がれ、修復されることになる。

このように、本発明のコンクリートは、硬化後にひび割れを生じた場合であっても、かかるひび割れを自己修復する特性に優れるものである。したがって、かかるコンクリートの硬化物は、多数のひび割れが生じた場合であってもこれらを良好に修復することができ、例えば、ひび割れが発生した場合であっても止水性能を十分に維持することができる。また、セメント組成物に含まれる炭酸基を有する塩（例えばＮａＨＣＯ_３）又はカルボキシル基を有する化合物は、安価で入手が容易であり、膨張材及びカルシウム含有化合物として好適なＣａＯも同様である。このように、本発明のセメント組成物及びこれを含むコンクリートは、安価な材料を用いて優れた自己修復性、ひいては優れた止水性能を発揮し得るものであり、従来の自己修復性を有するコンクリートに比して格段の低コスト化を達成できる。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
［評価用サンプルの作製］

（実施例１〜２及び比較例１〜３）
まず、下記表１に示す各成分に、細骨材８２８ｋｇ／ｍ^３（陸砂）、粗骨材９９０ｋｇ／ｍ^３（砕石）及び高性能ＡＥ減水剤２．９ｋｇ／ｍ^３（レオビルドＳＰ８Ｎ、エヌエムビー社製）を配合して各種のコンクリートを調製した。表１中、各コンクリートにおける、セメント組成物に対する水の割合（Ｗ／Ｐ（％））を合わせて示した。なお、表中の数字は、それぞれ重量（ｋｇ）を示す。

なお、表１中、ザイペックスは、ザイペックスアドミックスＣ−２０００（ザイペックス社製）、Ｐ−ＣＳＡは、パワーＣＳＡタイプＳ（デンカ社製）、ＣＳＡ♯２０は、ＣＳＡ♯２０（デンカ社製）、ＨＥは、ハイパーエクスパン（太平洋マテリアル社製）をそれぞれ示す。

そして、実施例１〜２及び比較例１〜３のコンクリートに対して下記の養生をそれぞれ行うことで、各実施例又は比較例に対応する評価用サンプルを得た。この評価用サンプルとしては、１０ｃｍ×１０ｃｍ×４０ｃｍの直方体形状のコンクリートに、拘束棒である呼び名１１ｍｍのＰＣ鋼棒が長手方向に沿って中央を貫通した形状を有するものを作製した。コンクリートの養生条件は、コンクリートを型枠に入れ、ポリエステルフィルムで封緘した状態で一日保持し、さらに型枠から取り出して１４日間大気中に保持することとした。
［透水量の測定］

まず、得られた実施例１〜２及び比較例１〜３の評価用サンプルに対し、それぞれコンクリート部分にひび割れを導入した。ひび割れは、評価用サンプルの拘束棒の両端を引っ張ることで発生させた。評価用サンプルのコンクリート部分に約０．２ｍｍのひびが発生した時点で、その時点での拘束棒を引っ張る力を維持したまま固定し、そのまま水中で４６日間（材齢６０日まで）養生した。

そして、ひび割れの発生後、水中で養生を行った各評価用サンプルについて、コンクリート部分における一方の端面（長手方向と直交する端面）からもう一方の端面まで水を透過（透水）させる試験を行い、１２５分間で各評価用サンプルを透過した水の合計量（透水量）を測定した。この際、水は、０．１ＭＰａの圧力で透水させた。実施例１〜２及び比較例１〜３の各評価用サンプルで得られた透水量をそれぞれ表２に示す。

表２より、炭酸基を有する塩（ＮａＨＣＯ_３）を含むセメント組成物を含むコンクリートを用いた実施例１及び２の評価用サンプルは、炭酸塩を有する塩を含まないセメント組成物を含むコンクリートを用いた比較例１〜３の評価用サンプルに比して、透水量が大幅に少なかった。このことから、実施例１及び２の評価用サンプルは、ひび割れが発生した後であっても優れた止水性能を維持可能であり、自己修復性に優れていることが確認された。特に、膨張材としてカルシウム含有化合物であるＣａＯを含むセメント組成物を用いた実施例２の評価用サンプルは、透水量が極めて少なく、特に優れた自己修復性を有していることが判明した。

Claims (6)

1. セメントと、炭酸基を有する塩又はカルボキシル基を有する化合物と、を含む、ことを特徴とするセメント組成物。
2. 水との接触により膨張する膨張材を更に含む、ことを特徴とする請求項１記載のセメント組成物。
3. カルシウム含有化合物を更に含む、ことを特徴とする請求項１又は２記載のセメント組成物。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のセメント組成物、水及び骨材を含む、ことを特徴とするコンクリート。
5. 前記炭酸基を有する塩又は前記カルボキシル基を有する化合物を３０ｋｇ／ｍ^３以下含む、ことを特徴とする請求項４記載のコンクリート。
6. 前記膨張材を９０ｋｇ／ｍ^３以下含む、ことを特徴とする請求項４又は５記載のコンクリート。