JP2011132094A

JP2011132094A - 低発熱セメント

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Publication number: JP2011132094A
Application number: JP2009295117A
Authority: JP
Inventors: Yoshihito Kuroiwa; 義仁黒岩; Toshihiko Nakamura; 俊彦中村; Noboru Takao; 昇高尾; Noriaki Sasaki; 憲明佐々木; Hiroyasu Naruse; 浩康鳴瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2011-07-07

Abstract

【課題】セメントの水和熱、および断熱温度の上昇量が小さく、温度ひび割れ指数が大きく、マスコンクリートの温度ひび割れの発生を極限まで低減でき、かつ凝結性状，初期強度発現性に優れた低発熱セメントを提供する。
【解決手段】温度ひび割れの発生防止または制御が必要なコンクリート構造物に用いられるセメントであって、ケイ酸二カルシウム（Ｃ₂Ｓ）含有量が６５〜８０質量％、間隙物質（Ｃ₃Ａ＋Ｃ₄ＡＦ）含有量が９〜１６質量％、該間隙物質中のアルミン酸三カルシウム（Ｃ₃Ａ）含有量が２〜６質量％であることを特徴とする低発熱セメントであり、好ましくは、セメント水比５０％のモルタルにおいて、材齢９１日の圧縮強度が７０N/mm²以上であり、水和熱量が３１０J/g以下である低発熱セメント。
【選択図】図１

Description

本発明は、高強度コンクリート、マスコンクリート、特に温度ひび割れの発生防止または制御が必要な大型コンクリート構造物に用いられる低発熱セメントに関する。

部材断面の大きいコンクリートでは、セメントの水和熱がその中央付近に蓄積されて内部温度が上昇し、その温度上昇過程あるいは冷却過程において、コンクリートの外側部分（外気に接触する部分）とコンクリート内部との間にかなりの温度差が生じ、部分的なひずみが生じて、いわゆる温度ひび割れが生じ易くなる。このような温度ひび割れの発生が予測される場合、設計および施工上、マスコンクリートとして取り扱う必要がある。

マスコンクリートにおける温度ひび割れの防止対策として、コンクリートの発熱量を低減すること、すなわち発熱量の少ないセメントを用いるのが最も効果的で経済的であるとされている。このような低発熱セメントとして、従来、次のようなセメントが知られている。

特開平８−１７５８５４号公報（特許文献１）には、水和熱に起因する温度ひび割れを抑制するために、セメント構成鉱物のうち、水和熱量の小さいビーライト（2CaO・SiO₂：Ｃ₂Ｓ）の含有量を増やし、水和熱量の大きいエーライト（3CaO・SiO₂：Ｃ₃Ｓ）の含有量を減らした低熱ポルトランドセメントが記載されている。この低熱ポルトランドセメントは、硬化時の水和熱量を著しく低減できるだけでなく、施工時の流動性に優れており、かつ中期・長期の強度発現性が良好であるなど種々の利点を有している。

特開平１１−２７８８７９号公報（特許文献２）には、マスコンクリート用組成物として、セメントクリンカー中のアルミナ（Al₂O₃）と鉄（Fe₂O₃）が、Al₂O₃／Fe₂O₃比で０.０５〜０.６２であり、ビーライト（Ｃ₂Ｓ）含有量が４５〜７５重量％であるセメントが記載されている。

特開平７−１４４９４１号公報（特許文献３）には、ポルトランドセメント組成物として、アルミン酸カルシウム（Ｃ₃Ａ）およびアルミン酸鉄カルシウム（Ｃ₄ＡＦ）からなる間隙物質が２〜９重量％、この間隙物質中のＣ₄ＡＦが１〜７重量％であり、また、ビーライト（Ｃ₂Ｓ）が５０〜９０重量％の高ビーライトセメントが記載されている。

特開平８−１７５８５４号公報特開平１１−２７８８７９号公報特開平７−１４４９４１号公報

セメント構成鉱物のうち、水和熱量の小さいビーライト（Ｃ₂Ｓ）量を増やし、水和熱量の大きいエーライト（Ｃ₃Ｓ）量を減らした低熱ポルトランドセメントが知られているが（特許文献１および特許文献３）、温度ひび割れ抑制効果が十分ではないという問題がある。

また、アルミン酸カルシウム（Ｃ₃Ａ）は水和熱量が多いので、水和熱を抑制するためにＣ₃Ａ量を低減することが知られているが（特許文献２段落[0011]）、Ｃ₃Ａ量を大幅に低減すると、凝結時間が極めて長くなり、施工性にも問題が生じる。さらに、Ｃ₃Ａ量を少なくすると、(Al₂O₃／Fe₂O₃)比が小さくなり、焼成時の溶液量、特に低温の溶液量が減少し、セメント鉱物を焼成し難いという問題がある。

そこで、本発明は、セメントの水和熱、および断熱温度の上昇量が小さく、温度ひび割れ指数が大きく、マスコンクリートの温度ひび割れの発生を極限まで低減でき、かつ凝結性状，初期強度発現性に優れた低発熱セメントを提供する。

本発明は、以下の構成によって上記問題を解決した低発熱セメントに関する。
〔１〕温度ひび割れの発生防止または制御が必要なコンクリート構造物に用いられるセメントであって、ケイ酸二カルシウム（Ｃ₂Ｓ）含有量が６５〜８０質量％、間隙物質（Ｃ₃Ａ＋Ｃ₄ＡＦ）含有量が９〜１６質量％、該間隙物質中のアルミン酸三カルシウム（Ｃ₃Ａ）含有量が２〜６質量％であることを特徴とする低発熱セメント。
〔２〕セメント水比５０％のモルタルにおいて、材齢９１日の圧縮強度が７０N/mm²以上であり、水和熱量が３１０J/g以下である上記[１]に記載する低発熱セメント。
〔３〕温度ひび割れの発生防止または制御が必要なコンクリート構造物が高強度コンクリート、マスコンクリートである上記[１]または上記[２]に記載する低発熱セメント。

本発明のセメントは、ビーライト（Ｃ₂Ｓ）含有量が多く、エーライト（Ｃ₃Ｓ）が少ないので、水和熱量が少ない。例えば、本発明のセメントの材齢７日の水和熱量は１４５J/g以下であり、材齢９１日の水和熱量は３１０J/g以下である。因みに、エーライト（Ｃ₃Ｓ）を２０wt％以上含有する従来のポルトランドセメントでは、その材齢７日の水和熱量は１８０J/g前後であり、材齢９１日の水和熱量は３１６J/g程度である。このように、本発明のセメントは、特に初期水和熱量（例えば材齢７日発熱量）が従来のセメントの初期発熱量の約８割程度に低減されている。

また、本発明のセメントを用いた水セメント比５０％のモルタルは、材齢９１日硬化体の圧縮強度は７０N/mm²以上であり、通常の低熱ポルトランドセメントと同等の強度を発揮する。

本発明のセメントを用いたコンクリートの最小温度ひび割れ指数は、従来の低熱ポルトランドセメントを用いた場合よりも大きく、ひび割れが起き難い。具体的には、本発明のセメントを用いたコンクリートの最小温度ひび割れ指数は、通常のポルトランドセメントを用いた場合の温度ひび割れ指数に比較して例えば約１.５倍前後大きく、従って、ひび割れが起き難い。

実施例２のコンクリート経過材齢と温度上昇を示すグラフ実施例２のコンクリートの凝結時間を示すグラフ実施例２の凝結経過時間とブリーディング量を示すグラフ実施例３の解析モデル（柱）を示す図実施例３の解析モデル（壁）を示す図実施例３の柱の第１リフト型枠側要素点の最小温度ひび割れ指数のグラフ実施例３の柱の第１リフト中心部要素点の最小温度ひび割れ指数のグラフ実施例３の壁の第１リフト型枠側要素点の最小温度ひび割れ指数のグラフ実施例３の壁の第１リフト中心部要素点の最小温度ひび割れ指数のグラフ

以下、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明する。
本発明は、マスコンクリート用ポルトランドセメントであり、ケイ酸二カルシウム（Ｃ₂Ｓ）含有量が６５〜８０質量％、間隙物質（Ｃ₃Ａ＋Ｃ₄ＡＦ）含有量が９〜１６質量％、該間隙物質中のアルミン酸三カルシウム（Ｃ₃Ａ）含有量が２〜６質量％であることを特徴とする低発熱セメントである。

本発明のセメントは、ビーライト（Ｃ₂Ｓ）含有量が６５〜８０質量％であり、好ましくはエーライト（Ｃ₃Ｓ）含有量が５〜１５質量％である。Ｃ₃Ｓ含有量を少なくしてＣ₂Ｓ含有量を多くすることにより、セメントの水和熱量が低減される。ビーライト含有量が６５質量％より少ないと水和熱量を低減する効果が小さく、ビーライト含有量が８０質量％より多いと、エーライト含有量が極端に少なくなり、十分な初期強度が得られない。

本発明のセメントにおいて、アルミン酸三カルシウム（Ｃ₃Ａ）およびアルミン酸鉄四カルシウム（Ｃ₄ＡＦ）からなる間隙物質（Ｃ₃Ａ＋Ｃ₄ＡＦ）の含有量が９〜１６質量％であり、該間隙物質中のアルミン酸三カルシウム（Ｃ₃Ａ）の含有量が２〜６質量％である。

本発明のセメントは、間隙物質（Ｃ₃Ａ＋Ｃ₄ＡＦ）の含有量が９〜１６質量％であるので、セメントを焼成し易い。間隙物質の含有量が上記範囲を外れるとセメントが焼成し難くなる。

また、本発明のセメントは、間隙物質中のアルミン酸三カルシウム（Ｃ₃Ａ）の含有量が２〜６質量％であるので、セメントの水和熱量を高めることなく、凝結性状および初期強度発現性を改善することができる。Ｃ₃Ａ含有量が６質量％より多いと、水和熱の低減効果が小さく、Ｃ₃Ａ含有量が２質量％より少ないと、凝結が著しく遅れると共に焼成し難くなる。

本発明のセメントは、ビーライト（Ｃ₂Ｓ）およびエーライト（Ｃ₃Ｓ）、間隙物質（Ｃ₃Ａ＋Ｃ₄ＡＦ）、およびアルミン酸三カルシウム（Ｃ₃Ａ）の含有量を上記範囲に調整したので、セメントの水和熱および断熱温度上昇量が小さく、また温度ひび割れ指数が大きくなり、マスコンクリートの温度ひび割れの発生を極限まで低減することができ、凝結性状および初期強度発現性が優れている。

以下、本発明の実施例を比較例と共に示す。
〔実施例１〕
表１に示す鉱物組成になるように原料の配合量を調整して焼成し、生成したクリンカーを粉砕して本発明のセメントを調製した。なお，クリンカーの微粉砕時に二水せっこうを、セメント中のＳＯ₃量に換算して２.０wt％になるように添加した。このセメントを用い、規格（JIS R 5210）に従って、セメントの圧縮強さ（水セメント比５０％のモルタル）および凝結時間を調べ、規格（JIS R 5203）に従ってセメントの水和熱量を調べた。この結果を表１に示した（実施例試料No.１〜６）。また、本発明の鉱物組成から外れるセメントを用いたモルタルについて同様の試験を行った。この結果を表１に示した（比較例試料No.１〜３）。

表１に示すように、本発明の実施例（試料No.１〜６）は何れも、セメントモルタルの材齢７日の水和熱量は１４５J/g以下であり、材齢９１日の水和熱量は３１０J/g以下である。因みに、エーライトを２０wt％以上含有する従来の低熱ポルトランドセメントでは、その材齢７日の水和熱量は１８０J/g前後であり、材齢９１日の水和熱量は３１６J/g程度であり、従って、本発明のセメントは、特に初期水和熱量（例えば材齢７日発熱量）が従来のセメントの初期発熱量の７〜８割程度に低減されている。一方、本発明の実施例（試料No.１〜６）は何れも材齢９１日の圧縮強さが７０N/mm²以上であり、通常の低熱ポルトランドセメントと同程度の強度を有している。

一方、エーライト含有量が多く、ビーライト含有量が少ない比較例試料No.１〜２は水和熱量が多い。また、間隙物質（C₃A＋C₄AF）の含有量が本発明の範囲を超える比較例試料No.３は材齢９１日の圧縮強度が低く、また水和熱も大きい。

〔実施例２〕
表１の実施例試料No１(Ｃ₂Ｓ70％と略記)、実施例試料No３(Ｃ₂Ｓ75％と略記)、および比較例試料No１(現行Ｌと略記)のセメントを用い、表２に示す配合でコンクリートを調製し、以下の方法に従って試験を行った。この結果を表２、図１、図２に示した。
〔断熱温度上昇試験〕：空気循環式断熱温度上昇試験機（(株)東京理工製）
〔凝結試験〕：JIS A 1147「コンクリートの凝結時間試験方法」
〔ブリーディング試験〕：JIS A 1123「コンクリートのブリーディング試験方法」

図１に示すように、ビーライト(Ｃ₂Ｓ)量を高めたセメント(Ｃ₂Ｓ70％およびＣ₂Ｓ75％)は、現行Ｌに比べて断熱温度上昇量が大幅に低減している。また、図２に示すように、Ｃ₂Ｓ70％およびＣ₂Ｓ75％の凝結時間は、現行Ｌと比較して、始発で２.５時間遅く、終結で６〜８時間遅くなった。さらに、図３に示すように、ブリーディング量は、現行Ｌの０.１６cm³/cm²に比べて、Ｃ₂Ｓ70％のセメントでは０.２５cm³/cm²と若干多く、Ｃ₂Ｓ75％のセメントでは０.１７cm³/cm²とほぼ同等であった。凝結時間、ブリーディング量およびブリーディングの終了時間は施工上特に問題ない範囲である。
この結果から明らかなように、本発明のセメントを用いれば、断熱温度上昇量が大幅に少なく、かつ施工上問題ないコンクリート組成物を得ることができる。

〔実施例３〕
表１の実施例試料No１(Ｃ₂Ｓ70％と略記)、実施例試料No３(Ｃ₂Ｓ75％と略記)、および比較例試料No１(現行Ｌと略記)のセメントを用いた表２に示す配合のコンクリートの断熱温度上昇量および圧縮強度試験値を用いて、柱および壁をモデルとした温度応力解析を実施した。解析プログラムには、計算力学研究センター社製のプログラム（ASTEA-MACS Ver.5）を使用した。解析モデルの形状を図４、図５に示す。また解析条件等を表３〜４、最小ひび割れ指数に関する解析結果を図６〜図９に示した。

施工場所は東京、打設時期は１０月である。構造物の打設リフト数は、柱はフーチング基礎から第３リフトまでの４リフトであり、壁はフーチング基礎から第２リフトまでの３リフトである。

図６〜図９に示すように、型枠側の最小温度ひび割れ指数は、柱では現行Ｌの１.０９に対して、試料No１では１.３７であり、試料No３では１.４４であり、何れも大幅に向上した。また、壁では現行Ｌの１.１８に対して、試料No１では１.５４であり、試料No３では１.６３であり、何れも向上している。さらに、中心部の最小温度ひび割れ指数は、柱では現行Ｌの１.９８に対して、試料No１では２.８５であり、試料No３では２．６９であり、また壁では現行Ｌの１.４２に対して、試料No１では２.１２であり、試料No３では２.０９であり、何れも大幅に向上した。

特に耐久性上問題となる外部拘束による中心部の最小温度ひび割れ指数に関しては、本発明のセメントを用いることによって、日本コンクリート工学協会の「マスコンクリートのひび割れ制御指針2008」に示されるひび割れ発生確率５％以下（指数１．８５以上）を満足した。この結果から明らかなように、本発明のセメントを用いれば、最小温度ひび割れ指数が大きく、従ってマスコンクリートの温度ひび割れの発生を極限まで低減できるコンクリート組成物を得ることができる。

Claims

温度ひび割れの発生防止または制御が必要なコンクリート構造物に用いられるセメントであって、ケイ酸二カルシウム（Ｃ₂Ｓ）含有量が６５〜８０質量％、間隙物質（Ｃ₃Ａ＋Ｃ₄ＡＦ）含有量が９〜１６質量％、該間隙物質中のアルミン酸三カルシウム（Ｃ₃Ａ）含有量が２〜６質量％であることを特徴とする低発熱セメント。
セメント水比５０％のモルタルにおいて、材齢９１日の圧縮強度が７０N/mm²以上であり、水和熱量が３１０J/g以下である請求項１に記載する低発熱セメント。
温度ひび割れの発生防止または制御が必要なコンクリート構造物が高強度コンクリート、マスコンクリートである請求項１または請求項２に記載する低発熱セメント。