JP2008094675A - グラウト用セメントモルタル組成物 - Google Patents
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Abstract
【課題】優れた流動性およびその保持が得られ、適当な長さ変化率、高強度性能を有するグラウト用セメント組成物を提供する。
【解決手段】セメント、膨張材、石膏、ポゾラン微粉末、減水剤及び細骨材を含有してなるグラウト用セメントモルタル組成物において、前記膨張材が、カルシウムアルミノフェライト系膨張材であり、前記ポゾラン微粉末が、二酸化珪素(SiO2)含有率が90%以上で水素イオン濃度が酸性領域にあるシリカ質微粉末であり、及び前記減水剤が、ポリカルボン酸系減水剤であることを特徴とする。また、前記膨張材は、ブレーン比表面積値で2,000〜6,000cm2/gが好ましく、前記石膏は、無水石膏であり、ブレーン比表面積値で3,000〜6,000cm2/gが好ましく、前記細骨材は、密度3.0g/cm3以上の重量骨材であることが好ましい。
【選択図】なし
【解決手段】セメント、膨張材、石膏、ポゾラン微粉末、減水剤及び細骨材を含有してなるグラウト用セメントモルタル組成物において、前記膨張材が、カルシウムアルミノフェライト系膨張材であり、前記ポゾラン微粉末が、二酸化珪素(SiO2)含有率が90%以上で水素イオン濃度が酸性領域にあるシリカ質微粉末であり、及び前記減水剤が、ポリカルボン酸系減水剤であることを特徴とする。また、前記膨張材は、ブレーン比表面積値で2,000〜6,000cm2/gが好ましく、前記石膏は、無水石膏であり、ブレーン比表面積値で3,000〜6,000cm2/gが好ましく、前記細骨材は、密度3.0g/cm3以上の重量骨材であることが好ましい。
【選択図】なし
Description
本発明は、土木・建築分野で使用されるグラウト用セメントモルタル組成物、詳しくは、高流動、高強度、低収縮グラウト用セメントモルタル組成物に関する。
従来から、グラウト材料としては、セメントに減水剤を加えたものが一般的であり、さらに、カルシウムサルフォアルミネート系膨張材又は石灰系膨張材や、アルミ粉等の発泡剤を添加し無収縮材料とし、これらに川砂や珪砂等を配合し、ペーストやモルタルとして、土木・建築工事、特に、コンクリート構造物の細かい空隙、逆打ち工法での空隙、構造物の補修や補強、機械装置のベースプレート下、及び軌道床版下等へ充填する工法等に広く使用されている。
そして、グラウト材料には、PCグラウト、プレパツクドコンクリート用グラウト、トンネルやシールドの裏込めグラウト、プレキャスト用グラウト、構造物の補修や補強注入グラウト、橋梁の支承下グラウト、機械台座下グラウト、舗装床版下グラウト、軌道床版下グラウト、及び原子力発電所格納容器下グラウトなどがある。
近年、土木・建築構造物に使われるコンクリートの品質が高性能化し、グラウト材料に要求される性能が高度化してきている。
グラウト用セメント混和材に要求される性能としては、(1)無収縮であること、(2)流動性が良好でその保持性が良好であること、(3)ブリーディングや材料分離がないことなどが要求されるが、近年、コンクリートの高強度化が進んできたため、用途によってはグラウト材料にも高強度化が必要となり、充填箇所によっては高流動化が要求されている(非特許文献１参照)。
グラウト用セメント混和材に要求される性能としては、(1)無収縮であること、(2)流動性が良好でその保持性が良好であること、(3)ブリーディングや材料分離がないことなどが要求されるが、近年、コンクリートの高強度化が進んできたため、用途によってはグラウト材料にも高強度化が必要となり、充填箇所によっては高流動化が要求されている(非特許文献１参照)。
「高強度グラウト材の充填性に関する実験研究」、日本建築学会大会学術講演梗概集、NO.1313、1995年8月
中でも、鉄筋コンクリート、プレキャストコンクリート等の構造物において充填するグラウト用セメントモルタルには高い流動性が必要とされ、またひび割れ低減から低収縮性が要求される。また、近年、鉄筋コンクリート構造物の大型化に伴いコンクリートの高強度化が求められ、そこに使用されるグラウト用セメントモルタルにも高い強度発現性が望まれている。
一方、特定の減水剤を組み合わせたセメント系グラウト組成物を使用することにより、温度依存性が少なく、流動性・充填性保持効果が著しく高く、長期に亘り強度増進効果が期待できることも知られている(特許文献１参照)。
特許文献１には、「セメント、細骨材、減水剤、膨張材、無機質微粉末及び発泡物質からなる組成物において、減水剤の配合量がセメント100質量部に対し0.05〜4質量部であり、該減水剤100質量部中のメラミンスルホン酸塩系減水剤が10〜30質量部、ナフタレンスルホン酸塩系減水剤が55〜85質量部、リグニンスルホン酸塩系減水剤が5〜20質量部であることを特徴とするセメント系グラウト組成物。」(請求項１)の発明が記載され、無機質微粉末として、ブレーン比表面積が4000cm2/g以上、強熱減量が3.5%以下のフライアッシュである請求項１又は２記載のセメント系グラウト組成物(請求項３)が示されているが二酸化珪素含有率、水素イオン濃度範囲が特定のシリカ質微粉末を使用することは示唆されていない。また、膨張材として「ブレーン比表面積4000cm2/g（JIS R 5201に準じて測定）」のカルシウムアルミノフェライト系膨張材を使用すること（段落［００２８］）が示されているが、ポリカルボン酸系減水剤を使用するものではなく、優れた流動性保持、高強度、低収縮性能を有するグラウト用セメントモルタル組成物を得るために、カルシウムアルミノフェライト系膨張材、石膏、特定のシリカ質微粉末及びポリカルボン酸系減水剤を併用することは示されていない。
さらに、特定の骨材、シリカフュームを併用することによって、高強度を有するモルタル・コンクリートを製造する方法が知られている(特許文献２参照)。
特許文献２には、「石英または長石を主成分とし、比重が2.58以上、シェア硬度が90以上、圧縮強度が2000kgf/cm2以上の物理的性質を有する骨材を用い、水結合材比が25%以下で、混和材としてSiO2を90%以上含有するシリカフュームをセメント重量の5〜20%混入し、かつ、高性能AE減水剤を用いて調合することを特徴とするモルタル・コンクリートの製造方法。」(請求項1)の発明が記載されているが、シリカフュームについては、SiO2含有率の記載のみであり(段落［０００６］、［０００７］、［０００９］)、水素イオン濃度の記載はなく、また、流動性向上のために使用することを意図としていない。さらに、高性能AE減水剤を使用しているが、膨張材を併用するものではなく、シリカフューム、カルシウムアルミノフェライト系膨張材、石膏及びポリカルボン酸系減水剤を併用して、優れた流動性保持、高強度、低収縮性能を有するグラウト用セメントモルタル組成物を製造することは示されていない。
また、高ビーライト系セメントと、シリカフュームと、ポリアルキレングリコール鎖を有するポリカルボン酸系高分子化合物を主成分とするセメント分散剤と、石灰系混和材又は有機系収縮低減剤と、該高ビーライト系セメントの水和反応に起因する収縮力に対抗する圧力を発生させる物質と、比重が3.4以上で吸水率が0.5〜1.5%である細骨材とを含有するセメント組成物が流動性の保持と高強度を得ることが知られている(特許文献３参照)。
特許文献３には、「高ビーライト系セメントを必須の成分として含有する。」(段落［００１４］)と記載されており、セメントにシリカフューム、ポリアルキレングリコール鎖を有するポリカルボン酸系高分子化合物を主成分とするセメント分散剤、石灰系混和材、該高ビーライト系セメントの水和反応に起因する収縮力に対抗する圧力を発生させる物質(炭素系発泡剤)と比重が3.4以上で吸水率が0.5〜1.5%である細骨材とを含有するセメント組成物を所定の水量で練り混ぜた物性評価において、高ビーライト系セメントを使用しなかった配合(普通セメントを使用)では、練り混ぜ後60分のフロー値が140mm未満であり、安定して高い流動性を得ることはできなかったとの記載があり(段落［００４９］、［００５１］、［００５４］)、高ビーライト系セメント以外のセメントでは良好な流動性と高い圧縮強度と良好な無収縮性をあわせて有するセメント組成物は提供できないことを示唆している。また、ここで使用されるシリカフュームについては、平均粒度、カーボン含有量の記載はある（段落［００３８］）が、水素イオン濃度についての記載はみられない。また、シリカフューム及びポリカルボン酸系減水剤と併用するのは石灰系膨張材であり（段落［００１８］）、シリカフューム、カルシウムアルミノフェライト系膨張材、石膏及びポリカルボン酸系減水剤を併用して、優れた流動性保持、高強度、低収縮性能を有するグラウト用セメントモルタル組成物を得ることは示されていない。
さらに、製造作業中の取扱いが簡便で、少ない減水剤の使用で高強度及び高ワーカビリティを有するモルタル・コンクリートを製造するために、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を主成分とし酸化ジルコニウムを一成分として含む微粒子からなる粉体を使用することが知られている(特許文献４参照)。
特許文献４には、「セメントと、細骨材と、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を主成分とし酸化ジルコニウムを一成分として含む微粒子からなる粉体とを練り混ぜた混合物を用いて調合することを特徴とするモルタル・コンクリートの製造方法。」（請求項２）の発明が記載されており、該微粒子（特殊シリカ質微粉末）として、「ＳｉＯ２：９２．７４重量％、ＺｒＯ２：４．７６重量％、Ｆｅ２Ｏ３：０．３５重量％、Ａｌ２Ｏ３：０．０１重量％未満、ＴｉＯ２：０．０５重量％、Ｈ２Ｏ：０．１８重量％、Ｎａ２Ｏ：０．０２重量％、ｐＨ：４．２、及びＢＥＴ法で測定した比表面積：９．２２ｍ２／ｇ。」、「密度：２．４５ｇ/ｃｍ３、ＳｉＯ２：９４．５重量％、ＺｒＯ２：４．０重量％、ｐＨ：３乃至４、平均粒径：１μｍ、及びＢＥＴ法で測定した比表面積：８．７ｍ２／ｇ」のものを使用すること（段落［００２５］及び［００５５］）、ポリカルボン酸系減水剤を使用すること（段落［００５４］）が示されているが、「本実施の形態におけるコンクリートの製造方法においては、混和材としての特殊シリカ質微粉末の粒径が大きいことにより、粒径の小さいシリカフュームを使用する従来の場合に比べて混和材の飛散が少ないために、正確な調合比が得られるとともに作業が簡便となる。」（段落［００３８］）と記載されているように、シリカ質微粉末の粒径が重要なものとして示されているだけで、優れた流動性保持、高強度、低収縮性能を有するグラウト用セメントモルタル組成物を得るために、「二酸化珪素(SiO2)含有率が90%以上で水素イオン濃度が酸性領域にあるシリカ質微粉末」を使用するという技術的思想の開示はない。また、特許文献４に記載された発明は、膨張材の使用を避けるものである（段落［０００６］）から、上記特定のシリカ質微粉末をカルシウムアルミノフェライト系膨張材と併用することを当業者が容易に想到し得るとはいえない。
重量骨材を配合した重量モルタルにおいて良好な流動性を有し、材料分離もなく、温度上昇の抑制されたモルタルを得る発明も知られている(特許文献５参照)。
特許文献５には、「セメント、膨張材、及びポゾラン微粉末を含有してなる結合材、細骨材、並びに、減水剤を配合してなり、細骨材が、粒径0.15mm以下のものを10〜20％含み、比重3.0以上で粒径2.5mm以下であり、結合材100部に対して、200〜300部であることを特徴とするモルタル組成物。」（請求項１）が記載され、ポゾラン微粉末としてシリカフュームを使用すること（段落［００２０］）、減水剤としてポリカルボン酸系減水剤を使用すること（段落［００２５］）が示されているが、膨張材としては、カルシウムサルホアルミネート系のものが示されている（段落［００１１］）だけで、カルシウムアルミノフェライト系膨張材についての記載はなく、シリカフュームについても、その二酸化珪素含有率、水素イオン濃度についての記載はなく、カルシウムアルミノフェライト系膨張材、石膏、特定のシリカフューム及びポリカルボン酸系減水剤を併用することにより、優れた流動性保持、高強度、低収縮性能を有するグラウト用セメントモルタル組成物を得るという課題を解決しようとするものではない。
また、水セメント比が低い場合においても流動性が高く、且つその硬化体の材齢２８日における圧縮強度が８０Ｎ／ｍｍ２以上という高い強度を有し、骨材等の材料分離を起こさないで、さらに、膨張材を併用すると、高強度の無収縮グラウトモルタルとして好適に使用することができるモルタルの発明も知られている(特許文献６参照)。
特許文献６には、「（Ａ）セメント、（Ｂ）粒状セメントクリンカー、並びに（Ｃ）減水剤、超微粉及び比重２．７以上の骨材から選ばれる1種又は２種以上を含有することを特徴とするモルタル組成物。」（請求項１）が記載され、カルシウムアルミノフェライト系膨張材及び無水石膏を使用すること（段落［００２０］）、減水剤としてポリカルボン酸系減水剤を使用すること（段落［００１４］）、超微粉としてシリカフュームを使用すること（段落［００１５］）が示されているが、実際に使用されているのは、ナフタレンスルホン酸系減水剤と石灰系膨張材であり（段落［００２４］）、シリカフュームについては、その二酸化珪素含有率、水素イオン濃度についての記載はなく、優れた流動性保持、高強度、低収縮性能を有するグラウト用セメントモルタル組成物を得るために、カルシウムアルミノフェライト系膨張材、無水石膏、特定のシリカフューム及びポリカルボン酸系減水剤を併用することは示されていない。また、上記のように、特許文献４に記載された発明は、膨張材の使用を避けるものであるから、膨張材を併用する特許文献６に記載された発明の超微粉として、特許文献４に記載された特殊シリカ質微粉末を使用することを、当業者が容易に想到し得るとはいえない。
本発明は、前記従来技術には示されていない課題を解決しようとするものであり、優れた流動性及びその保持が得られ、さらに高強度、低収縮性能を有するグラウト用セメントモルタル組成物を提供することを課題とする。
本発明者は、前記課題を解決すべく種々検討を重ねた結果、特定の膨張材と石膏、特定のポゾラン微粉末、ポリカルボン酸系減水剤を併用し、さらに、細骨材を含有させたグラウト用セメントモルタル組成物を採用することにより前記課題が解決できるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
本発明は、前記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
（１）セメント、膨張材、石膏、ポゾラン微粉末、減水剤及び細骨材を含有してなるグラウト用セメントモルタル組成物において、前記膨張材が、カルシウムアルミノフェライト系膨張材であり、前記ポゾラン微粉末が、二酸化珪素(SiO2)含有率が90%以上で水素イオン濃度が酸性領域にあるシリカ質微粉末であり、及び前記減水剤が、ポリカルボン酸系減水剤であることを特徴とするグラウト用セメントモルタル組成物である。
（２）前記膨張材が、ブレーン比表面積値で2,000〜6,000cm2/gであることを特徴とする前記（１）のグラウト用セメントモルタル組成物である。
（３）前記石膏が、無水石膏であることを特徴とする前記（１）又は（２）のグラウト用セメントモルタル組成物である。
（４）前記石膏が、ブレーン比表面積値で3,000〜6,000cm2/gであることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか一項のグラウト用セメントモルタル組成物である。
（５）前記膨張材が、セメント、膨張材、石膏及びポゾラン微粉末からなる結合材100部中、1〜4部であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか一項のグラウト用セメントモルタル組成物である。
（６）前記石膏が、セメント、膨張材、石膏及びポゾラン微粉末からなる結合材100部中、1〜5部であることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか一項のグラウト用セメントモルタル組成物である。
（７）前記ポゾラン微粉末が、セメント、膨張材、石膏及びポゾラン微粉末からなる結合材100部中、5〜15部であることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれか一項のグラウト用セメントモルタル組成物である。
（８）前記細骨材が、密度3.0g/cm3以上の重量骨材であることを特徴とする前記（１）〜（７）のいずれか一項のグラウト用セメントモルタル組成物である。
（９）前記（１）〜（８）のいずれか一項のグラウト用セメントモルタル組成物と水とを混合してなるグラウトモルタルである。
（１０）水／結合材比が20〜30％であることを特徴とする前記（９）のグラウトモルタルである。
（１）セメント、膨張材、石膏、ポゾラン微粉末、減水剤及び細骨材を含有してなるグラウト用セメントモルタル組成物において、前記膨張材が、カルシウムアルミノフェライト系膨張材であり、前記ポゾラン微粉末が、二酸化珪素(SiO2)含有率が90%以上で水素イオン濃度が酸性領域にあるシリカ質微粉末であり、及び前記減水剤が、ポリカルボン酸系減水剤であることを特徴とするグラウト用セメントモルタル組成物である。
（２）前記膨張材が、ブレーン比表面積値で2,000〜6,000cm2/gであることを特徴とする前記（１）のグラウト用セメントモルタル組成物である。
（３）前記石膏が、無水石膏であることを特徴とする前記（１）又は（２）のグラウト用セメントモルタル組成物である。
（４）前記石膏が、ブレーン比表面積値で3,000〜6,000cm2/gであることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか一項のグラウト用セメントモルタル組成物である。
（５）前記膨張材が、セメント、膨張材、石膏及びポゾラン微粉末からなる結合材100部中、1〜4部であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか一項のグラウト用セメントモルタル組成物である。
（６）前記石膏が、セメント、膨張材、石膏及びポゾラン微粉末からなる結合材100部中、1〜5部であることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか一項のグラウト用セメントモルタル組成物である。
（７）前記ポゾラン微粉末が、セメント、膨張材、石膏及びポゾラン微粉末からなる結合材100部中、5〜15部であることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれか一項のグラウト用セメントモルタル組成物である。
（８）前記細骨材が、密度3.0g/cm3以上の重量骨材であることを特徴とする前記（１）〜（７）のいずれか一項のグラウト用セメントモルタル組成物である。
（９）前記（１）〜（８）のいずれか一項のグラウト用セメントモルタル組成物と水とを混合してなるグラウトモルタルである。
（１０）水／結合材比が20〜30％であることを特徴とする前記（９）のグラウトモルタルである。
本発明のグラウト用セメントモルタル組成物を使用し、練り混ぜることにより、良好な流動性が保持され、高強度、低収縮性能を有するグラウトモルタルを提供することができる。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明で使用する部や％は特に規定のない限り質量基準である。
また、本発明で、セメントモルタルとは、セメントペーストも含むものである。
本発明で使用する部や％は特に規定のない限り質量基準である。
また、本発明で、セメントモルタルとは、セメントペーストも含むものである。
本発明は、セメント、カルシウムアルミノフェライト系膨張材、石膏、特定のポゾラン微粉末、ポリカルボン酸系減水剤及び細骨材を含有し、並びに、好ましくは消泡剤及び発泡剤を併用してなるグラウト用セメントモルタル組成物である。
膨張材としては、カルシウムサルフォアルミネート系膨張材（以下、ＣＳＡ膨張材という）、カルシウムアルミノフェライト系膨張材、及び石灰系膨張材等が挙げられるが、本発明では、主に、膨張性、流動性、及び保水性保持の面から、カルシウムアルミノフェライト系膨張材を使用する。
膨張材は、CaO原料、Al2O3原料、Fe2O3原料、及びCaSO4原料を所定の割合になるように配合し、電気炉やロータリーキルンなどを用いて、一般的には1,100〜1,600℃で熱処理して製造される。熱処理温度が1,100℃未満では得られた膨張材の膨張性能が充分でない場合があり、1,600℃を超えると無水石膏が分解する場合がある。
CaO原料としては石灰石や消石灰等が、Al2O3原料としてはボーキサイトやアルミ残灰等が、Fe2O3原料としては銅カラミや市販の酸化鉄等が、そして、CaSO4原料としては二水石膏、半水石膏、及び無水石膏等が挙げられる。
CaO原料としては石灰石や消石灰等が、Al2O3原料としてはボーキサイトやアルミ残灰等が、Fe2O3原料としては銅カラミや市販の酸化鉄等が、そして、CaSO4原料としては二水石膏、半水石膏、及び無水石膏等が挙げられる。
カルシウムアルミノフェライト系膨張材（以下、C4AF膨張材という）とは、CaO原料、Al2O3原料、Fe2O3原料、及びCaSO4原料を熱処理して得られるクリンカーであって、遊離石灰、カルシウムアルミノフェライト及び無水石膏をクリンカー中に含有する膨張物質であり、その割合については特に限定されるものではないが、膨張物質100部中、遊離石灰は30〜60部が好ましく、40〜50部がより好ましい。また、カルシウムアルミノフェライトは10〜40部が好ましく、15〜35部がより好ましい。さらに無水石膏は10〜40部が好ましく、20〜35部がより好ましい。
本発明のカルシウムアルミノフェライトとは、CaO-Al2O3-Fe2O3系化合物を総称するものであり特に限定されるものではないが、一般的に、CaOをC、Al2O3をA、Fe2O3をFとすると、C4AFやC6AF2などと示される化合物がよく知られている。通常はC4AFとして存在していると考えてよい。
C4AF膨張材の粉末度は、ブレーン比表面積値（以下、ブレーン値という）で2,000cm2/g以上が好ましく、2,000〜6,000cm2/gがより好ましい。2,000cm2/g未満では膨張量が大きくブリーディングもでやすく、6,000cm2/gを超えると良好な流動性を保持する時間が短くなる傾向がある。
C4AF膨張材の使用量は、セメント、膨張材、石膏及びポゾラン微粉末からなる結合材（以下、結合材と略する）100部中１〜４部が好ましく、２〜３部がより好ましい。１部未満では良好な膨張性や保水性が得られない場合があり、４部を超えると同様に良好な膨張性が得られない場合がある。
C4AF膨張材の使用量は、セメント、膨張材、石膏及びポゾラン微粉末からなる結合材（以下、結合材と略する）100部中１〜４部が好ましく、２〜３部がより好ましい。１部未満では良好な膨張性や保水性が得られない場合があり、４部を超えると同様に良好な膨張性が得られない場合がある。
本発明で使用する石膏とは、エトリンガイトやモノサルフェート水和物の生成量を増進させ、強度を増進させるものであり、代表的なものとして、石膏があり、無水石膏、半水石膏、およびニ水石膏が挙げられるが強度面から無水石膏を使用するのが好ましい。
石膏の粉末度は、ブレーン比表面積値で3,000〜6,000cm2/gが好ましい。3,000cm2/g未満では強度発現性が低下する場合があり、6,000cm2/gを超えても強度の増進に期待できない場合がある。
石膏の使用量は、結合材100部中1〜5部が好ましく、2〜4部がより好ましい。範囲外では強度増進がみられない場合がある。
本発明で使用するポゾラン微粉末は、特に、低水比での良好な流動性およびブリーディング防止、強度発現に使用するもので、二酸化珪素(SiO2)含有率が90%以上であり、水素イオン濃度が酸性領域にあるシリカ質微粉末である。ここで言う水素イオン濃度とは、シリカ質微粉末20gを純水100gに入れマグネティックスタラーにて5分間攪拌した後、懸濁液中の水素イオン濃度をPHメータにより計測した値である。
シリカ質微粉末の製造方法は、例えば金属シリコン微粉末を火炎中で酸化させる方法や高温火炎中でシリカ質原料微粉末を溶融する方法において原料の熱処理条件を調整し、捕集温度を550℃以上にすることによって製造することができる。また、電気炉においてジルコンサンドを電融した際にサイクロンなどで捕集した後分級して製造されるものもある。
その平均粒子径は、1μm以下の超微粒子である。
シリカ質微粉末の製造方法は、例えば金属シリコン微粉末を火炎中で酸化させる方法や高温火炎中でシリカ質原料微粉末を溶融する方法において原料の熱処理条件を調整し、捕集温度を550℃以上にすることによって製造することができる。また、電気炉においてジルコンサンドを電融した際にサイクロンなどで捕集した後分級して製造されるものもある。
その平均粒子径は、1μm以下の超微粒子である。
ポゾラン微粉末の使用量は、結合材100部中、5〜15部が好ましい。5部未満では強度発現が不十分であったりボールベアリング効果がなくなり練り混ぜ時の負荷が大きくなる場合があり、15部を超えると練り混ぜ時の負荷が大きくなり所定の水量で優れた流動性が得られない場合がある。
減水剤は、セメントに対する分散作用や空気連行作用を有し、流動性改善や強度増進するものであり、本発明では、ポリカルボン酸系減水剤を使用する。ポリカルボン酸系減水剤を使用することにより流動性の保持が良好となる。
減水剤の使用形態は粉体、液体のいずれでも使用できるがプレミックス製品として使用する際には粉体が好ましく、結合材100部に対するポリカルボン酸系減水剤の使用量は、粉体で0.05〜0.20部が好ましく、0.07〜0.15部がより好ましい。
ポリカルボン酸系減水剤が0.05部未満では高流動が得られない場合があり、0.20部を超えると泡が発生したり凝結遅延を起こす場合がある。また、本発明の効果を阻害しない範囲でメラミンスルホン酸系減水剤、リグニンスルホン酸系減水剤を併用することができる。
減水剤の使用形態は粉体、液体のいずれでも使用できるがプレミックス製品として使用する際には粉体が好ましく、結合材100部に対するポリカルボン酸系減水剤の使用量は、粉体で0.05〜0.20部が好ましく、0.07〜0.15部がより好ましい。
ポリカルボン酸系減水剤が0.05部未満では高流動が得られない場合があり、0.20部を超えると泡が発生したり凝結遅延を起こす場合がある。また、本発明の効果を阻害しない範囲でメラミンスルホン酸系減水剤、リグニンスルホン酸系減水剤を併用することができる。
本発明では消泡剤を使用することが好ましい。消泡剤としては特に限定されるものではないがポリオキシエチレンアルキルエーテル系、プルロニック系化合物等があげられる。その使用量は結合材100部に対して0.005〜0.05部が好ましい。0.005部未満では消泡効果が不十分でエントラップエアや減水剤のエントレンドエアが抜けきれず強度が不十分であったり流動性が出にくい場合がある。また、0.05部を超えると消泡された泡がグラウトモルタル表面に多量にあがってくる場合がある。
本発明では、練り混ぜ後のグラウトモルタルの初期膨張を得るため、水と練り混ぜた際にガスを発生する発泡剤を併用することが好ましい。
発泡剤としては特に限定されるものではなく、例えば、金属粉末や過酸化物等が挙げられる。なかでもアルミニウム粉末が好ましいが、アルミニウム粉末の表面は酸化されやすく酸化皮膜で覆われると反応性が低下するため、植物油、鉱物油、又はステアリン酸等で表面処理したアルミニウム粉末が好ましい。
発泡剤の使用量は、結合材100部に対して、0.0003〜0.003部が好ましい。0.0003部未満では膨張量が極めて少なくなる場合があり、0.003部を超えると膨張量が大きく強度低下が著しくなる場合がある。
発泡剤としては特に限定されるものではなく、例えば、金属粉末や過酸化物等が挙げられる。なかでもアルミニウム粉末が好ましいが、アルミニウム粉末の表面は酸化されやすく酸化皮膜で覆われると反応性が低下するため、植物油、鉱物油、又はステアリン酸等で表面処理したアルミニウム粉末が好ましい。
発泡剤の使用量は、結合材100部に対して、0.0003〜0.003部が好ましい。0.0003部未満では膨張量が極めて少なくなる場合があり、0.003部を超えると膨張量が大きく強度低下が著しくなる場合がある。
本発明で使用するセメントとしては、普通、早強、超早強、低熱、及び中庸熱等の各種ポルトランドセメント、これらポルトランドセメントに、高炉スラグ、フライアッシュ、シリカ、又は石灰石微粉等を混合した各種混合セメント、並びに、廃棄物利用型セメント、いわゆるエコセメントなどが挙げられ、そのうち練り混ぜ性および強度発現の面から普通または早強セメントが好ましい。
本発明で使用する細骨材としては、重量骨材が好ましく、強度発現性、流動性の保持等が得られ、密度が3.0g/cm3以上であれば特に限定されるものではないが、例えば磁鉄鉱石、赤鉄鉱石、橄欖岩、フェロクロムスラグ、銅スラグ、電気炉酸化スラグ等が挙げられるが、本発明では、これらのうち一種または二種以上を併用することが可能である。プレミックス製品として使用する際には各々を乾燥した乾燥砂が好ましく、その粒度は流動性の面から最大粒径が2.0mmであることが好ましい。
細骨材の使用量は、結合材100部に対して、70〜150部が好ましい。70部未満では収縮量が多くなる場合があり、150部を超えると強度や流動性が低下する場合がある。
細骨材の使用量は、結合材100部に対して、70〜150部が好ましい。70部未満では収縮量が多くなる場合があり、150部を超えると強度や流動性が低下する場合がある。
本発明で使用する練り混ぜ水量は特に限定されるものではないが、通常、水／結合材比で20〜30％が好ましく、22〜26％がより好ましい。この範囲外では、流動性が大きく低下したり、強度が低下する場合もある。
本発明のグラウト用セメントモルタルの練り混ぜは、特に限定されるものではないが、回転数が900r.p.m以上のハンドミキサ、又は通常の高速グラウトミキサ、二軸型の強制ミキサを使用することが好ましい。
ハンドミキサ又は高速グラウトミキサでの練り混ぜは、ペール缶等練り容器又はミキサにあらかじめ所定の水を入れ、その後ミキサを回転させながら前記結合材と細骨材を混合したグラウト用セメントモルタル組成物を投入し2分以上練り混ぜる。また、強制ミキサでの練り混ぜは、あらかじめ前記混合したグラウト用セメントモルタル組成物をミキサに投入しミキサを回転させながら所定の水を投入し少なくとも2分以上練り混ぜる。練り混ぜ時間が2分未満では、練り不足のため適切なグラウト用セメントモルタルの流動性が得られ難い場合がある。
ハンドミキサ又は高速グラウトミキサでの練り混ぜは、ペール缶等練り容器又はミキサにあらかじめ所定の水を入れ、その後ミキサを回転させながら前記結合材と細骨材を混合したグラウト用セメントモルタル組成物を投入し2分以上練り混ぜる。また、強制ミキサでの練り混ぜは、あらかじめ前記混合したグラウト用セメントモルタル組成物をミキサに投入しミキサを回転させながら所定の水を投入し少なくとも2分以上練り混ぜる。練り混ぜ時間が2分未満では、練り不足のため適切なグラウト用セメントモルタルの流動性が得られ難い場合がある。
以下に、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
結合材100部中、表１に示す膨張材、石膏α4部、及びポゾラン微粉末ａ12部、結合材100部に対し、ポリカルボン酸系減水剤0.24部、消泡剤0.04部、発泡剤0.001部、及び細骨材100部を混合してグラウト材料を調製し、水／結合材比が22％となるように水を添加して高速ハンドミキサを用い2分間練り混ぜしグラウトモルタルを作製し、20℃、80%RHの恒温恒湿室でその流動性を測定した。
また、作製したグラウトモルタルを、20℃、80％RHの恒温恒湿室で、型枠に打設し、長さ変化率、及び圧縮強度を測定した。長さ変化率、圧縮強度は1日で脱型後、材齢まで20℃水中養生とした。結果を表１に併記する。
また、作製したグラウトモルタルを、20℃、80％RHの恒温恒湿室で、型枠に打設し、長さ変化率、及び圧縮強度を測定した。長さ変化率、圧縮強度は1日で脱型後、材齢まで20℃水中養生とした。結果を表１に併記する。
＜使用材料＞
セメント ：普通ポルトランドセメント、市販品
膨張材Ａ ：C4AF膨張材、ブレーン値2,900cm2/g、市販品
膨張材Ｂ ：C4AF膨張材、ブレーン値1,900cm2/g
膨張材Ｃ ：C4AF膨張材、ブレーン値5,830cm2/g
膨張材Ｄ ：C4AF膨張材、ブレーン値6,090cm2/g
膨張材Ｅ ：CSA系膨張材、ブレーン値2,850cm2/g 、市販品
石膏α ：天然無水石膏、ブレーン値4,200cm2/g
ポゾラン微粉末ａ：シリカフューム、PH=2.90、SiO2含有率95.2%、市販品
減水剤 ：ポリカルボン酸塩系減水剤、市販品 消泡剤 ：ポリオキシエチレンアルキルエーテル系、市販品
発泡剤 ：アルミニウム粉末、市販品
細骨材 ：フェロクロムスラグ、密度3.20g/cm3、2.0mm下品、市販品
セメント ：普通ポルトランドセメント、市販品
膨張材Ａ ：C4AF膨張材、ブレーン値2,900cm2/g、市販品
膨張材Ｂ ：C4AF膨張材、ブレーン値1,900cm2/g
膨張材Ｃ ：C4AF膨張材、ブレーン値5,830cm2/g
膨張材Ｄ ：C4AF膨張材、ブレーン値6,090cm2/g
膨張材Ｅ ：CSA系膨張材、ブレーン値2,850cm2/g 、市販品
石膏α ：天然無水石膏、ブレーン値4,200cm2/g
ポゾラン微粉末ａ：シリカフューム、PH=2.90、SiO2含有率95.2%、市販品
減水剤 ：ポリカルボン酸塩系減水剤、市販品 消泡剤 ：ポリオキシエチレンアルキルエーテル系、市販品
発泡剤 ：アルミニウム粉末、市販品
細骨材 ：フェロクロムスラグ、密度3.20g/cm3、2.0mm下品、市販品
＜測定方法＞
流動性 ：日本規格協会JIS R5201-1997「セメントの物理試験方法」11.フロー試験で15回の落下運動を行わない静置フローを測定。流動性の経時変化は、その都度グラウトモルタルを高速ハンドミキサにて10秒間練り返して測定
長さ変化率：日本規格協会JIS A 6202「コンクリート用膨張材」の附属書1「膨張材のモルタルによる膨張性試験方法」に準じて測定。材齢7日の測定値
圧縮強度 ：土木学会JSCE-G505-1999「円柱供試体を用いたモルタルまたはセメントペーストの圧縮強度試験方法」に準じて測定。材齢28日の測定値
流動性 ：日本規格協会JIS R5201-1997「セメントの物理試験方法」11.フロー試験で15回の落下運動を行わない静置フローを測定。流動性の経時変化は、その都度グラウトモルタルを高速ハンドミキサにて10秒間練り返して測定
長さ変化率：日本規格協会JIS A 6202「コンクリート用膨張材」の附属書1「膨張材のモルタルによる膨張性試験方法」に準じて測定。材齢7日の測定値
圧縮強度 ：土木学会JSCE-G505-1999「円柱供試体を用いたモルタルまたはセメントペーストの圧縮強度試験方法」に準じて測定。材齢28日の測定値
表１より、ブレーン値で2,000〜6000cm2/gの膨張材Ａおよび膨張材Ｃを結合材100部中1〜4部含有する実験No.1-2〜1-5、及びNo.1-8の実施例のグラウトモルタルは、優れた流動性保持、適当な長さ変化率が得られ、圧縮強度が高いことが分かる。
C4AF膨張材は、結合材100部中、1部未満では流動性、圧縮強度は得られるが長さ変化率は小さく、1部から流動性、圧縮強度にあわせて長さ変化率の効果が顕著になり、4部を超えると流動性は高くなるが、圧縮強度が低下し、長さ変化率が大きくなりすぎるから、1〜4部が好ましい。
これに対して、膨張材E(CSA系)を配合したグラウトモルタル(実験NO.1-11〜1-12)は、流動性の保持性が悪く、また長さ変化率はC4AF系膨張材に比べ小さく混和率を多くする必要がある。したがって、本発明では、膨張材としてC4AF系膨張材を使用する。
C4AF膨張材は、結合材100部中、1部未満では流動性、圧縮強度は得られるが長さ変化率は小さく、1部から流動性、圧縮強度にあわせて長さ変化率の効果が顕著になり、4部を超えると流動性は高くなるが、圧縮強度が低下し、長さ変化率が大きくなりすぎるから、1〜4部が好ましい。
これに対して、膨張材E(CSA系)を配合したグラウトモルタル(実験NO.1-11〜1-12)は、流動性の保持性が悪く、また長さ変化率はC4AF系膨張材に比べ小さく混和率を多くする必要がある。したがって、本発明では、膨張材としてC4AF系膨張材を使用する。
結合材100部中、膨張材Ａ3部、表２に示す石膏、及びポゾラン微粉末ａ12部、結合材100部に対し、ポリカルボン酸系減水剤0.24部、消泡剤0.04部、発泡剤0.001部、及び細骨材100部を混合してグラウト材料を調製したこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表２に併記する。
＜使用材料＞
石膏β ：天然無水石膏、ブレーン値2,800cm2/g
石膏γ ：天然無水石膏、ブレーン値6,500cm2/g
石膏β ：天然無水石膏、ブレーン値2,800cm2/g
石膏γ ：天然無水石膏、ブレーン値6,500cm2/g
表２より、ブレーン値3,000〜6,000cm2/gの石膏αを、結合材100部中、1〜5部含有させた実験No.2-2〜2-3、No.1-４のグラウトモルタルは、優れた流動性保持、適当な長さ変化率が得られ、圧縮強度が高いことが分かる。
これに対して、石膏を含有しない実験No.2-1の比較例のグラウトモルタルは、流動性は優れているが、圧縮強度が低い。また、5部を超えて含有させた場合、圧縮強度は含有しない場合より高いが増進はみられない(実験NO.2-4)。
ブレーン値が3,000cm2/g未満の石膏βを含有したグラウトモルタルは、流動性は優れているが、圧縮強度の増進がみられず、また、ブレーン値が6,000cm2/gを超えた石膏γを含有したグラウトモルタルは、圧縮強度は高いが、流動性の保持が短くなる(実験No.2-5〜2-6)。
したがって、ブレーン値が3,000から6,000cm2/gの石膏を、結合材100部中、1〜5部含有させてグラウトモルタルとすることが好ましい。
これに対して、石膏を含有しない実験No.2-1の比較例のグラウトモルタルは、流動性は優れているが、圧縮強度が低い。また、5部を超えて含有させた場合、圧縮強度は含有しない場合より高いが増進はみられない(実験NO.2-4)。
ブレーン値が3,000cm2/g未満の石膏βを含有したグラウトモルタルは、流動性は優れているが、圧縮強度の増進がみられず、また、ブレーン値が6,000cm2/gを超えた石膏γを含有したグラウトモルタルは、圧縮強度は高いが、流動性の保持が短くなる(実験No.2-5〜2-6)。
したがって、ブレーン値が3,000から6,000cm2/gの石膏を、結合材100部中、1〜5部含有させてグラウトモルタルとすることが好ましい。
結合材100部中、膨張材Ａ3部、石膏α4部、及び表３に示すポゾラン微粉末、結合材100部に対し、表３に示すポリカルボン酸系減水剤、消泡剤0.04部、発泡剤0.001部、及び細骨材100部を混合してグラウト材料を調製したこと以外は実施例１と同様に行った。また、ここで減水剤をナフタレンスルホン酸系減水剤に代えて練り混ぜ性、流動性、長さ変化率、圧縮強度を比較した。結果を表３に併記する。
＜使用材料＞
ポゾラン微粉末ｂ：シリカフューム、PH=6.45、SiO2含有率99.9%
ポゾラン微粉末ｃ：シリカフューム、PH=7.73、SiO2含有率96.3%、市販品
ポゾラン微粉末ｄ：シリカフューム、PH=9.49、SiO2含有率89.1%、市販品
減水剤N ：ナフタレンスルホン酸系減水剤、市販品
ポゾラン微粉末ｂ：シリカフューム、PH=6.45、SiO2含有率99.9%
ポゾラン微粉末ｃ：シリカフューム、PH=7.73、SiO2含有率96.3%、市販品
ポゾラン微粉末ｄ：シリカフューム、PH=9.49、SiO2含有率89.1%、市販品
減水剤N ：ナフタレンスルホン酸系減水剤、市販品
表３より、二酸化珪素(SiO2)含有率が90%以上であり、かつ水素イオン濃度が酸性領域にあるポゾラン微粉末ａ及びｂを結合材100部中、5〜15部含有する実験No.3-1〜3-3、No.1-4、No.3-6の実施例のグラウトモルタルは、優れた流動性保持、適当な長さ変化率が得られ、圧縮強度が高いことが分かる。
これに対して、二酸化珪素(SiO2)含有率が90%以上であるが水素イオン濃度がアルカリ領域であるポゾラン微粉末ｃ、及び二酸化珪素(SiO2)含有率が90%未満で水素イオン濃度がアルカリ領域であるポゾラン微粉末ｄを含有する実験No.3-7〜3-10の比較例のグラウトモルタルは、ポゾラン微粉末ａと同等の減水剤量では練り混ぜができず、減水剤量を増して練り混ぜても、泡が多量に発生し、優れた流動性が得にくく、また長さ変化率、圧縮強度が低下する。
したがって、二酸化珪素(SiO2)含有率が90%以上で水素イオン濃度が酸性領域にあるポゾラン微粉末を使用することにより、優れた流動性保持、適当な長さ変化率、高い圧縮強度のグラウトモルタルが得られるという本発明の効果を奏することが確認された。
また、減水剤として、ポリカルボン酸系減水剤に代えてナフタレンスルホン酸系減水剤(減水剤N)を配合したグラウトモルタル(実験No.3-11〜3-12)では、二酸化珪素(SiO2)含有率が90%以上で水素イオン濃度が酸性領域にあるポゾラン微粉末を使用した場合でも、ポリカルボン酸系減水剤と同等の減水剤量では練り混ぜができず、減水剤量を多く必要とし、このため泡の発生が多くなり好ましくない。
したがって、ポリカルボン酸系減水剤を使用することにより、優れた流動性保持、適当な長さ変化率、高い圧縮強度のグラウトモルタルが得られるという本発明の効果を奏すること、ポリカルボン酸系減水剤以外の減水剤を使用したのでは、このような効果は奏しないことが確認された。
これに対して、二酸化珪素(SiO2)含有率が90%以上であるが水素イオン濃度がアルカリ領域であるポゾラン微粉末ｃ、及び二酸化珪素(SiO2)含有率が90%未満で水素イオン濃度がアルカリ領域であるポゾラン微粉末ｄを含有する実験No.3-7〜3-10の比較例のグラウトモルタルは、ポゾラン微粉末ａと同等の減水剤量では練り混ぜができず、減水剤量を増して練り混ぜても、泡が多量に発生し、優れた流動性が得にくく、また長さ変化率、圧縮強度が低下する。
したがって、二酸化珪素(SiO2)含有率が90%以上で水素イオン濃度が酸性領域にあるポゾラン微粉末を使用することにより、優れた流動性保持、適当な長さ変化率、高い圧縮強度のグラウトモルタルが得られるという本発明の効果を奏することが確認された。
また、減水剤として、ポリカルボン酸系減水剤に代えてナフタレンスルホン酸系減水剤(減水剤N)を配合したグラウトモルタル(実験No.3-11〜3-12)では、二酸化珪素(SiO2)含有率が90%以上で水素イオン濃度が酸性領域にあるポゾラン微粉末を使用した場合でも、ポリカルボン酸系減水剤と同等の減水剤量では練り混ぜができず、減水剤量を多く必要とし、このため泡の発生が多くなり好ましくない。
したがって、ポリカルボン酸系減水剤を使用することにより、優れた流動性保持、適当な長さ変化率、高い圧縮強度のグラウトモルタルが得られるという本発明の効果を奏すること、ポリカルボン酸系減水剤以外の減水剤を使用したのでは、このような効果は奏しないことが確認された。
実験No.1-４の細骨材を珪砂に代えてグラウト材料を調整し、流動性、長さ変化率、圧縮強度を比較した。結果を表４に併記する。
＜使用材料＞
細骨材 ：珪砂、密度2.60g/cm3 、2.0mm下品、市販品
＜使用材料＞
細骨材 ：珪砂、密度2.60g/cm3 、2.0mm下品、市販品
細骨材を珪砂に代えたグラウトモルタル(実験No.4-1)では、優れた流動性、長さ変化率は得られるが、圧縮強度が低下するので、細骨材としては、密度3.0g/cm3以上の重量骨材が好ましい。
結合材100部中、膨張材Ａ3部、石膏α4部、及びポゾラン微粉末ａ12部、結合材100部に対し、ポリカルボン酸系減水剤0.24部、消泡剤0.04部、発泡剤0.001部、及び細骨材100部を混合してグラウト材料を調製し、表５に示す水/結合材比で練り混ぜたこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表５に併記する。
表５より、水/結合材比で20〜30%で練り混ぜられた実験NO.5-1〜5-2、NO.1-４のグラウトモルタルは、優れた流動性保持、適当な長さ変化率、高い圧縮強度が得られる。
これに対して水/結合材比が20%未満では、練り混ぜに大きな負荷がかかり練り混ぜが困難な場合があり、また水/結合材比が30%を超える実験NO.5-3では、泡の発生が多量にみられ流動性保持は優れているが圧縮強度が低下する。
したがって、本発明におけるグラウト用セメントモルタル組成物の練り混ぜに使用される水/結合材比は20〜30%が好ましい。
これに対して水/結合材比が20%未満では、練り混ぜに大きな負荷がかかり練り混ぜが困難な場合があり、また水/結合材比が30%を超える実験NO.5-3では、泡の発生が多量にみられ流動性保持は優れているが圧縮強度が低下する。
したがって、本発明におけるグラウト用セメントモルタル組成物の練り混ぜに使用される水/結合材比は20〜30%が好ましい。
本発明のグラウト用セメントモルタル組成物を使用してなるグラウトモルタル(グラウト材料)は、上記のように、優れた流動性保持、適当な長さ変化率、高い圧縮強度が得られるので、土木・建築工事、特に、鉄筋コンクリート、プレキャストコンクリート等の構造物に使用することができる。
Claims (10)
- セメント、膨張材、石膏、ポゾラン微粉末、減水剤及び細骨材を含有してなるグラウト用セメントモルタル組成物において、前記膨張材が、カルシウムアルミノフェライト系膨張材であり、前記ポゾラン微粉末が、二酸化珪素(SiO2)含有率が90%以上で水素イオン濃度が酸性領域にあるシリカ質微粉末であり、及び前記減水剤が、ポリカルボン酸系減水剤であることを特徴とするグラウト用セメントモルタル組成物。
- 前記膨張材が、ブレーン比表面積値で2,000〜6,000cm2/gであることを特徴とする請求項１に記載のグラウト用セメントモルタル組成物。
- 前記石膏が、無水石膏であることを特徴とする請求項１又は２に記載のグラウト用セメントモルタル組成物。
- 前記石膏が、ブレーン比表面積値で3,000〜6,000cm2/gであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のグラウト用セメントモルタル組成物。
- 前記膨張材が、セメント、膨張材、石膏及びポゾラン微粉末からなる結合材100部中、1〜4部であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のグラウト用セメントモルタル組成物。
- 前記石膏が、セメント、膨張材、石膏及びポゾラン微粉末からなる結合材100部中、1〜5部であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のグラウト用セメントモルタル組成物。
- 前記ポゾラン微粉末が、セメント、膨張材、石膏及びポゾラン微粉末からなる結合材100部中、5〜15部であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のグラウト用セメントモルタル組成物。
- 前記細骨材が、密度3.0g/cm3以上の重量骨材であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のグラウト用セメントモルタル組成物。
- 請求項１〜８のいずれか一項に記載のグラウト用セメントモルタル組成物と水とを混合してなるグラウトモルタル。
- 水／結合材比が20〜30％であることを特徴とする請求項９に記載のグラウトモルタル。
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| JP5160762B2 (ja) | 2013-03-13 |
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