JP2010215479A - セメント組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】水中不分離性と高流動性を有するセメント組成物の提供。
【解決手段】セメント、デュータンガム、ベントナイト及びポリカルボン酸系減水剤を含有するセメント組成物。セメント組成物を含有する水中不分離性高流動セメント組成物。窒素含有非イオン界面活性剤、骨材、水を含有しても良い。セメント、デュータンガム、ベントナイト、ポリカルボン酸系減水剤及び水を混合するセメント組成物の製造方法。デュータンガムとベントナイトを予め混合し、次いで水を混合するセメント組成物の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、主に土木分野で使用するセメント組成物に関する。

水中不分離性コンクリートは、水中においてセメント成分が分散溶解しないように、メチルセルロース、アクリル系及びポリエチレンオキサイド系等の増粘剤を含有している。増粘剤は、コンクリート中の水に粘性を与え、固体同士を粘着させる。増粘剤は、水中において、セメントが分離することを防ぐ。

増粘剤として、セルロースエーテルとウエランガムを併用する水中盛土材が知られている（特許文献１参照）。

掘削工法において、ベントナイトとウエランガムを併用することにより、各種イオンやセメント成分に対して抵抗性の強い安定液になる、安定液の再生方法が知られている（特許文献２参照）。

ウエランガムを、スルホン化ナフタレン、スルホン化メラミン、改質リグノスルフェート等の超可塑剤中に均質に分散させ、湿式磨砕した組成物が、セメント縣濁液の安定性が増すこと、組成物にベントナイトを加えてウオッシュアウト防止剤とすることが知られている（特許文献３参照）。

特開平０７−２３２９４９号公報 特開平０７−３１６５５４号公報 特表平１１−５０７００２号公報

特許文献１〜３はガムとしてウエランガムを示すのみであり、デュータンガムを示していない。デュータンガムについては、後述する特許文献４、５が挙げられる。しかし、水中不分離性については、記載がない。デュータンガムは高粘度なため、流動性を確保できないと考えられていた。デュータンガムを使用しても高流動性を確保できることは、当業者が想到できないことである。

増粘剤は、コンクリートの粘性が増すために施工しにくい、セメントの水和を遅延するために初期材齢強度が低い、といった課題があった。

本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、セメント組成物を見出し、本発明を完成するに至った。

本発明は、セメント、デュータンガム、ベントナイト及びポリカルボン酸系減水剤を含有するセメント組成物であり、窒素含有非イオン界面活性剤を含有する該セメント組成物であり、骨材を含有する該セメント組成物であり、水を含有する該セメント組成物であり、該セメント組成物を含有する水中不分離性高流動セメント組成物であり、セメント、デュータンガム、ベントナイト、ポリカルボン酸系減水剤及び水を混合するセメント組成物の製造方法であり、デュータンガムとベントナイトを予め混合し、次いで水を混合する該セメント組成物の製造方法であり、窒素含有非イオン界面活性剤を含有する該セメント組成物の製造方法であり、骨材を含有する該セメント組成物の製造方法である。

本発明のセメント組成物を使用することにより、高せん断時に流動性が大きく、強度が高いといった効果が得られる。

以下、本発明を詳しく説明する。

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。又、本発明におけるセメント組成物（セメントコンクリートということもある）とは、セメントペースト、モルタル又はコンクリートを総称するものである。

本発明で使用するセメントは、通常市販されている普通、早強、中庸熱、低熱及び超早強等の各種ポルトランドセメント、これらのポルトランドセメントに、フライアッシュや高炉スラグ等を混合した各種混合セメント、並びに、エコセメント等が挙げられる。

単位水量は、セメントペースト、モルタル、コンクリートの配合により異なる。

モルタルの場合２００〜６００ｋｇ／ｍ^３が好ましい。２５０〜５５０ｋｇ／ｍ^３がより好ましい。２００ｋｇ／ｍ^３未満だと粘性が大きく、ポンプ圧送性が悪く、施工性が悪くなるおそれがあり、６００ｋｇ／ｍ^３を超えると長期耐久性が劣るおそれがある。

コンクリートの場合は、１４０〜２２０ｋｇ／ｍ^３が好ましい。１６０〜２００ｋｇ／ｍ^３がより好ましい。１４０ｋｇ／ｍ^３未満だと粘性が大きく、ポンプ圧送性が悪く、施工性が悪くなるおそれがあり、２２０ｋｇ／ｍ^３を超えると長期耐久性が劣るおそれがある。

本発明で使用するデュータンガムは、例えば、微生物キサントモナスカムペストリス、ＡＴＣＣ５３１５９を培養し、炭水化物を好気性発酵することにより得られるヘテロ多糖である（特許文献４，５）。

特開２００８−１８４３４４号公報 特公平０７−０６８２８３号公報

デュータンガムは、例えば、２個のグルコース、１個のグルクロン酸、及び３個のラムノースを構成単位とする。化学構造は下図に示す。

デュータンガムは、例えば、２個のグルコース、１個のグルクロン酸、及び３個のラムノースを構成単位とする。デュータンガムの化学構造は、例えば、式（１）である。

デュータンガムの粘度は、２５℃、０．２５％水溶液で２０００ｍＰａ・ｓ以上が好ましく、３０００ｍＰａ・ｓがより好ましい。デュータンガムの粉体の含水率は、１５％以下が好ましく、５〜１０％がより好ましい。デュータンガムの粉体の粒度は、８０メッシュ通過率８０％以上が好ましく、９５％以上がより好ましい。

デュータンガムの使用量は、水１００部に対して、０．０５〜１．０部が好ましく、０．１〜０．６部がより好ましい。０．０５部未満だと粘性が低く分離のおそれがあり、１．０部を超えると粘性が大きく、ポンプ圧送性が悪く、強度が低下し、施工性が悪くなるおそれがある。

本発明で使用するベントナイトは、粘土鉱物の１種であり、モンモリロナイトを主成分とする。ベントナイトとしては、カルシウムベントナイト、マグネシウムベントナイト、ナトリウムベントナイト、カリウムベントナイト及びリチウムベントナイト等が挙げられる。これらの中では、効果が大きい点で、カリウムベントナイトが好ましい。

ベントナイトの膨潤度は、２０ｍｌ／２ｇ以上が好ましく、２５ｍｌ／２ｇ以上がより好ましい。

ベントナイトの含水率は、１〜１２％が好ましく、２〜１０％がより好ましい。

ベントナイトの強熱減量は１０％以下が好ましく、８％以下がより好ましい。

ベントナイトの粒度は、４５μｍ湿式残渣において、１０％以下が好ましく、３〜８％がより好ましい。

ベントナイトの使用量は、水１００部に対して、０．２〜２．０部が好ましく、０．３〜１．５部がより好ましい。０．２部未満だと粘性が低く分離のおそれがあり、２０部を超えると強度低下や施工性の低下のおそれがある。

本発明で使用するポリカルボン酸塩系減水剤は、不飽和カルボン酸モノマーを一成分として含む重合体や共重合体又はその塩である。不飽和カルボン酸モノマーとしては、ポリアルキレングリコールモノアクリル酸エステル、ポリアルキレングリコールモノメタクリル酸エステル、無水マレイン酸、アクリル酸やメタクリル酸及びアクリル酸やメタクリル酸の塩等が挙げられる。 ポリカルボン酸塩系減水剤は、これらの不飽和カルボン酸モノマーと重合や共重合が可能なモノマーを、更に、重合や共重合をするものも含む。ポリカルボン酸塩系減水剤は、構成分子中にオキシエチレン単位構造を有しても良い。

ポリカルボン酸塩系減水剤の固形分濃度は、５〜５０％が好ましく、１０〜４０％がより好ましい。５％未満だと減水剤量が多くなるので生コンプラントでの計量に支障をきたし、コンクリートの製造量が低下するおそれがあり、５０％を超えると粘度が高くなり、生コンプラントでの計量に支障きたすおそれがある。

ポリカルボン酸系減水剤の使用量は、セメント１００部に対して、固形分換算で０．０１〜３部が好ましく、０．１〜２部がより好ましい。０．０１部未満だとセメントコンクリートの所定のワーカビリテイーが得られないおそれがあり、３部を超えるとセメントコンクリートの凝結が不良となり、初期強度発現性が小さいおそれがある。

本発明で使用する非イオン界面活性剤としては、アミド含有型非イオン界面活性剤及び／又はアミンのアルキレンオキシド付加型非イオン界面活性剤が好ましい。

アミド含有型非イオン界面活性剤としては、天然の脂肪酸とアルカノールアミンとの誘導体であるアルカノールアミドが挙げられる。天然の脂肪酸とアルカノールアミンとの誘導体であるアルカノールアミドとしては、ラウリン酸モノ−及びジ−エタノールアミド、ステアリン酸モノ−及びジ−エタノールアミド、ココナッツオイル脂肪酸モノ−及びジ−エタノールアミド、ココナッツオイル脂肪酸シクロヘキシルモノエタノールアミド、リノレン酸ジエタノールアミド、リシノレイン酸ジエタノールアミド、牛脂脂肪酸ジエタノールアミド及びこれらの混合物、並びに、これらのアルキレンオキシド付加物等が挙げられる。これらの中では、効果が大きい点で、牛脂脂肪酸ジエタノールアミドが好ましい。

アミンのアルキレンオキシド付加型非イオン界面活性剤としては、炭素数１２〜２４個の、ステアリルアミン等の高級アルキルアミン、オレイルアミン等の高級アルケニルアミン、ジラウリルアミン等の高級ジアルキルアミン、及び、炭素数２〜１６の、エチレンジアミンやトリエチレンテトラミン等のポリアミン等のアルキレンオキシド（アルキレンの炭素数は２〜４個）付加物、並びに、ポリエチレングリコールアルキルアミン等が挙げられる。これらの中では、効果が大きい点で、ポリエチレングリコールアルキルアミンが好ましい。

窒素含有非イオン界面活性剤の使用量は、セメント１００部に対して、０．０１〜５部が好ましく、０．１〜３部がより好ましい。

本発明で使用する骨剤としては、細骨材や粗骨材が挙げられる。細骨材としては、川砂、山砂、石灰砂及び珪砂等が挙げられる。粗骨材としては、砕石、川砂利、山砂利及び石灰砂利等が挙げられる。

コンクリート配合での、細骨材率は粗骨材の粒形、細骨材の粒度分布によるが４０容量％以上が好ましく、４５容量％以上が好ましい。４０容量％未満だと流動性が小さくなるので施工性が低下するおそれがある。

水セメント比は、施工目的やセメントペースト、モルタル、コンクリートの配合により異なる。

モルタルの場合は、２５〜８０％が好ましく、３０〜７０％がより好ましい。２５％未満だと流動性が小さくなるので施工性が低下するおそれがあり、８０％を超えると耐久性が劣るおそれがある。

コンクリートの場合は、２５〜４０％が好ましく、３０〜３５％がより好ましい。２５％未満だと流動性が小さくなるので施工性が低下するおそれがあり、４０％を超えると強度が小さくなるおそれがある。

細骨材の使用量は、細骨材／セメント比で２００％以下が好ましく、１５０％以下がより好ましい。

セメント／（粗骨材と細骨材を合計した骨材）の比は、２０〜１２０％が好ましく、３０〜１００％がより好ましい。２０％未満だと初期強度が得られないおそれがあり、１００％を超えると水和による発熱や乾燥収縮が大きくなるので耐久性が劣り、ポンプ圧送性が悪くなるおそれがある。

ベントナイトの使用量は、デュータンガム１００部に対して、５０〜１０００部が好ましく、１００〜４００部がより好ましい。

本発明で使用するセメント組成物の製造方法としては、デュータンガムとベントナイトを予め粉体混合することが好ましい。予め粉体混合した混合物を、セメント組成物の他の成分に添加し、混練りすることにより、増粘効果が大きくなる。

［実験例１］
実験例１以下、本発明の具体的態様を実施例及び比較例により説明する。
表１のモルタル配合に従い、モルタルを調製した。結果を表２に示した。
モルタルの練り上がり時の流動性をミニスランプのモルタルの広がりで測定した（上底５ｃｍ、下底１０ｃｍ、高さ１５ｃｍのミニスランプコーン使用）。流動性が小さい程粘度が大きく、ポンプ圧送性が小さい。
水中不分離性は、土木学会の水中不分離性コンクリートの水中分離度試験方法（ＪＳＣＥ−Ｄ１０４−２００７，付属書２）に準じて、水中モルタルの上澄み液のｐＨを測定することにより評価した。ｐＨが小さい程水中不分離性が小さい。
モルタルの初期材齢強度は、４×４×１６ｃｍの供試体（２０℃養生）にて材齢１日の圧縮強度を測定した。

＜使用材料＞
セメント：早強ポルトランドセメント（密度３．１４ｇ／ｃｍ^３、電気化学工業株式会社）
細骨材：新潟県姫川産川砂（密度２．６１ｇ／ｃｍ^３）
ポリカルボン酸系減水剤：市販品、溶液、固形分濃度２０％（密度１．０５ｇ／ｃｍ^３）
デュータンガム：ケルコクリートＤＧ、粘度３２２５ｍＰａ・ｓ（２５℃、０．２５％水溶液、水溶液の密度１．０５ｇ／ｃｍ^３）、含水率７％、８０メッシュ通過率１００％、Ｃ．Ｐ．ケルコ社
ベントナイト：米国産市販品、カリウムベントナイト、膨潤度２６．５ｍｌ／２ｇ、含水率８．７％、粒度湿式残渣４５μｍ５．５％、強熱減量７．５％（密度２．５０ｇ／ｃｍ^３）
ジエタノールアミド：スタホームＴ、牛脂脂肪酸ジエタノールアミド、日油株式会社
アミンの酸化エチレン誘導体：ナイミーンＴ２−２１０、ポリエチレングリコールアルキルアミン、日油株式会社
ウエランガム：ＫＩＡ９６、Ｃ．Ｐ．ケルコ社
キサンタンガム：ケルザン、Ｃ．Ｐ．ケルコ社

＜測定方法＞
モルタルフロー：ＪＩＳ Ｒ ５２０１セメントの物理試験方法に準じて測定。
ｐＨ：ＪＳＣＥ−Ｄ コンクリート用水中不分離性混和材品質規格 付属書２に準じて測定
圧縮強度：ＪＩＳ Ｒ ５２０１セメントの物理試験方法に準じて測定した。
デュータンガムの粘度：２５℃の室温で、０．２５％水溶液を作製した。Ｂ型粘度計を使用し、３ｒｐｍの条件で測定した。
デュータンガムの含水率：デュータンガムを１０５℃で２．５時間乾燥し、以下の式により含水率を算出した。
含水率（％）＝（乾燥前のデュータンガムの質量―乾燥後のデュータンガムの質量）／（乾燥前のデュータンガムの質量）×１００（％）
ベントナイトの膨潤度：ＡＣＣ法に準じて測定した。
ベントナイトの含水率；ベントナイトを１０５℃で５時間乾燥し、以下の式により含水率を算出した。
含水率（％）＝（乾燥前のベントナイトの質量―乾燥後のベントナイトの質量）／（乾燥前のベントナイトの質量）×１００（％）
８０メッシュ通過率：８０メッシュのタイラー標準スクリーンを使用した。８０メッシュのタイラー標準スクリーンを通過したデュータンガムの割合を測定した。
４５μｍ湿式残渣：ベントナイト工業会の試験方法に準じて測定した。ベントナイト１０ｇを、水３５０ｇに分散させた後、４５μｍの篩を通過させ洗浄した。篩上に残る残渣を１１０℃で８時間乾燥した。４５μｍの篩に残ったベントナイトの割合を測定した。
強熱減量：１０５℃で２．５時間乾燥したベントナイトを、電気炉中で８００℃、２時間加熱し、〔（加熱前の質量）−（加熱後の質量）／（加熱前の質量）〕×１００（％）の式から算出した。

ベントナイトを使用しない実験Ｎｏ．１４、デュータンガムを使用しない実験Ｎｏ．１５のモルタルフロー値は３００ｍｍ以上であり、流動性は良好であるが、水中モルタルの上澄み液のｐＨが１２．０を越え、水中不分離性が不十分であった。デュータンガム粉末を単独で混合した実験Ｎｏ．１６のモルタルフロー値は２５０ｍｍであり、流動性が悪く、ｐＨも１２．０となり水中不分離性能も悪かった。

デュータンガム、ベントナイト、ポリカルボン酸系減水剤を併用した本発明の実施例である実験Ｎｏ．１〜１３はモルタルフロー値が３００ｍｍ以上であり、流動性が良く、水中モルタルの上澄み液のｐＨが１２未満であり、水中不分離性を有し、材齢１日圧縮強度が２９Ｎ／ｍｍ^２以上であり、初期材齢強度が大きかった。

更に、窒素含有非イオン界面活性剤として、ジエタノールアミドを添加した実験Ｎｏ．１２、アミンの酸化エチレン誘導体を添加した実験Ｎｏ．１３は、モルタルフロー値が３５０ｍｍ以上であり、流動性が向上し、上澄み液のｐＨが１０未満であり、水中不分離性が向上している。

デュータンガムの代わりに、ウエランガムを使用した実験Ｎｏ．１７、キサンタンガムを使用した実験Ｎｏ．１８はモルタルフロー値が２６２ｍｍ以下であり、流動性が悪く、材齢１日圧縮強度が１１．８Ｎ／ｍｍ^２未満であり、初期材齢強度が小さかった。

［実験例２］
レディーミクストコンクリートプラントの１ｍ^３練りミキサーを用い、下記配合により水中不分離性高流動コンクリートの製造を行った。
水１８５ｋｇ／ｍ^３、早強ポルトランドセメント５６２ｋｇ／ｍ^３、細骨材８０５ｋｇ／ｍ^３、粗骨材８２０ｋｇ／ｍ^３、デュータンガム０．５ｋｇ／ｍ^３、ベントナイト０．７５ｋｇ／ｍ^３、ポリカルボン酸系減水剤１６．９ｋｇ／ｍ^３からなる材料を使用した。
デュータンガムとベントナイトを先に粉体混合したものを、レディーミクストコンクリートの１ｍ^３練りミキサーに、水、ポリカルボン酸系減水剤、セメント、細骨材の投入と同時に添加し、モルタルを２分間混練りした。その後、粗骨材を投入し、更に２分間混練りした。
コンクリートのスランプフローが６０ｃｍである、均一な水中不分離性高流動コンクリートが得られた。水中コンクリートの上澄み液のｐＨは１１．０であった。
比較例として、上記コンクリート配合と同じコンクリート配合において、レディーミクストコンクリートの１ｍ^３練りミキサーに、デュータンガム、ベントナイト、水、ポリカルボン酸系減水剤、セメント、細骨材を同時に添加したこと以外は、上記と同様に実施した。結果は、増粘作用が不十分であり、コンクリートのスランプフロー値が７２ｃｍであり、粗骨材が分離しており、水中コンクリートの上澄み液のｐＨが１１．９であった。

＜使用材料＞
粗骨材：新潟県姫川産川砂利、密度２．６５ｇ／ｃｍ^３

＜測定方法＞
スランプフロー：ＪＩＳ Ａ１１５０コンクリートのスランプフロー試験方法に準じて測定した。

実験例より以下のことが判る。本発明のセメント組成物は、水中不分離性と高流動性を有する。本発明のセメント組成物は、粘性が少なく、セメントコンクリートの作業性が良好であり、初期強度が高く、ポンプ圧送性が良好である。

水中不分離性セメントは低せん断時の場合（見かけの降伏値が高い場合）、粘度が高い。本発明のセメント組成物は、コンクリートのポンプ圧送性が良い水中不分離性コンクリート、即ち、高せん断時に粘性の低い高流動セメントである。

Claims (9)

1. セメント、デュータンガム、ベントナイト及びポリカルボン酸系減水剤を含有するセメント組成物。
2. 窒素含有非イオン界面活性剤を含有する請求項１記載のセメント組成物。
3. 骨材を含有する請求項１又は２記載のセメント組成物。
4. 水を含有する請求項１〜３のうちの１項記載のセメント組成物。
5. 請求項１〜４のうちの１項記載のセメント組成物を含有する水中不分離性高流動セメント組成物。
6. セメント、デュータンガム、ベントナイト、ポリカルボン酸系減水剤及び水を混合するセメント組成物の製造方法。
7. デュータンガムとベントナイトを予め混合し、次いで水を混合する請求項６記載のセメント組成物の製造方法。
8. 窒素含有非イオン界面活性剤を混合する請求項６又は７記載のセメント組成物の製造方法。
9. 骨材を含有する請求項６〜８のうちの１項記載のセメント組成物の製造方法。