JP2011190139A - エフロレッセンス抑制セメント及びエフロレッセンス抑制モルタル若しくはエフロレッセンス抑制コンクリート - Google Patents

Abstract

【課題】手間を掛けずにエフロレッセンス（以下エフロ）が抑制できるエフロ抑制セメント及びエフロ抑制モルタル若しくはエフロ抑制コンクリートを提供する。
【解決手段】エフロ抑制セメントは、普通ポルトランドセメント（以下普通ポルト）に高炉スラグ微粉末と膨張材と繊維補強材と多孔質骨材とを配合してなる。エフロの原因物質の主成分は普通ポルトに含まれる水酸化カルシウムであり、普通ポルトを減らしてその分高炉スラグ微粉末を配合することによりエフロの原因物質が減る。また、ひび割れが水の流れる経路になってエフロを増大させるおそれがあるため、膨張材を配合してひび割れを低減させることで水の流れが抑制できる。また、繊維補強材を配合することによってさらにひび割れの割れ幅の拡大が防止できる。これらによって水酸化カルシウムの流出は減少するが、それでも残った水酸化カルシウムが多孔質骨材の微細な孔によって取込まれる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば建築工事や土木工事に使われるセメント、モルタル、コンクリートに関し、特にエフロレッセンスを抑制したエフロレッセンス抑制セメント、エフロレッセンス抑制モルタル、エフロレッセンス抑制コンクリートに関する。

コンクリートなどのセメント水和物は、水酸化カルシウムを主成分としており、その一部が流水などに溶け出してコンクリートの表面等で再び結晶化する。その結晶化した化合物のことをエフロレッセンスといい、白い花が咲いたような模様に見えることから我が国では白華現象とも呼ばれている。

このエフロレッセンスが、石材やタイルを張って綺麗にした外壁表面に発生すると著しく美観を損ねるため、エフロレッセンスを防止する方法が古くから研究されている（特許文献１）。

特開２００３−２４５６０４号公報（段落「０００２」）

特許文献１の段落「０００２」に記載されているように、長い歴史を有するセメント系材料の分野で、エフロレッセンスを防止する方法が研究されてはいるものの、未だ十分とは言えないのが現実である。また、もし特許文献１に記載の技術でエフロレッセンスの防止が可能であるとしても、その技術は、コンクリート系材料を打設または成形してコンクリート構造物を得たのち、コンクリート養生前に該コンクリート構造物の表面に特定の塗剤を付与（塗布や浸漬）するというものであり、余分な手間とコストが掛かる問題があった。

本発明は上記に鑑みなされたもので、その目的は余分な手間を掛けずにエフロレッセンスが抑制できるエフロレッセンス抑制セメント及びエフロレッセンス抑制モルタル若しくはエフロレッセンス抑制コンクリートを提供することにある。

上記の目的を達成するため本発明は、普通ポルトランドセメントに、高炉スラグ微粉末と、膨張材と、繊維補強材と、多孔質骨材と、を配合してなるエフロレッセンス抑制セメントを提供する。

また、請求項２に記載したように、普通ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末とをほぼ同じ比率で混合した混合粉体に膨張材５〜１５重量％を配合して結合材を形成し、この結合材に繊維補強材と多孔質骨材を配合してなる請求項１記載のエフロレッセンス抑制セメントを提供する。

また、請求項３に記載したように、前記結合材は、普通ポルトランドセメント４５重量％、高炉スラグ微粉末４５重量％、膨張材１０重量％の配合割合である請求項２記載のエフロレッセンス抑制セメントを提供する。

また、請求項４に記載したように、前記結合材の重量に対して繊維補強材３重量％以下（但し、０重量％を除く。）と、多孔質骨材３重量％以下（但し、０重量％を除く。）を配合してなる請求項２又は３記載のエフロレッセンス抑制セメントを提供する。

また、請求項５に記載したように、請求項１〜４のいずれか１項に記載のエフロレッセンス抑制セメントに細骨材と水を配合して硬化させたエフロレッセンス抑制モルタルを提供する。

また、請求項６に記載したように、請求項１〜４のいずれか１項に記載のエフロレッセンス抑制セメントに粗骨材（砂利）と細骨材（砂）と水を配合して硬化させたエフロレッセンス抑制コンクリートを提供する。

エフロレッセンスの原因物質の主成分は、普通ポルトランドセメントに含まれる水酸化カルシウムであり、この普通ポルトランドセメントを減らしてその分高炉スラグ微粉末を配合することにより、エフロレッセンスの原因物質を削減することができる。また、高炉スラグ微粉末には潜在水硬性（セメントの水和反応の刺激を受けて硬化する性質）があるため、十分な強度を確保することができる。
次に、セメント水和物は、宿命的に収縮してひび割れが発生し、そのひび割れが水の流れる経路になってエフロレッセンスを増大させるおそれがある。そこで、膨張材を配合することによって予め膨張圧力が与えられるようにしておけば、収縮分が保証されてひび割れの発生を低減させることができる。また、それでもまだ発生するひび割れに対しては、繊維補強材を配合することによってひび割れに作用する引張り力に対抗させれば、割れ幅の拡大が防止できる。したがって流水の流出経路が従来に比べて大幅に減少するから、それだけエフロレッセンスが抑制される。
以上によって水酸化カルシウム分の流出は減少するが、それでも残った水酸化カルシウムは、多孔質骨材の表面に無数に存在する微細な孔によって取り込まれる。よって、請求項１〜４のいずれか１項に記載のエフロレッセンス抑制セメントによりエフロレッセンスが有効に抑制される。

また、本発明のエフロレッセンス抑制セメントに細骨材を配合して硬化させた請求項５に記載のエフロレッセンス抑制モルタルや、さらに粗骨材を配合して硬化させた請求項６に記載のエフロレッセンス抑制コンクリートは、エフロレッセンスが抑制されて綺麗な状態を長期間持続させ得る効果がある。

特に、本発明のエフロレッセンス抑制モルタルは、細骨材（以下、単に「砂」ともいう。）を混合して加水しない状態で施工箇所に敷設し、その後に「トロ」と呼ばれる液体状のセメントペーストを掛けて硬化させるいわゆる「バサモルタル」に適用して高い有効性を発揮する。
すなわち、バサモルタルは、砂とセメントの混合材料にトロを掛けただけで十分な混練をしておらず、砂粒子間の隙間を充填するだけのペースト容積がない。そのため、砂の粒子の間には隙間があり、通常のモルタルの空隙（空気量）が３％程度であるのに対し、バサモルタルは８％程度の空隙がある。その空隙の多さによりバサモルタルの強度は低いため、予期しない応力に対してひび割れしやすく、また、空隙が多いことから、雨水や地下水あるいは結露した水分が滞留する容積も多くなる。また、水の流入・流出のしやすさも緻密な通常のモルタルに比べて多い。よってバサモルタルは、本質的にエフロレッセンスが発生しやすいため、本発明のエフロレッセンス抑制効果が現れやすい。

高炉スラグ微粉末の配合割合と注水後の経時変化の状態を示すグラフである。 膨張材の配合割合と永久ひずみの関係を示すグラフである。 繊維補強材の配合割合とカルシウム溶出量の関係を示すグラフである。

以下に本発明を実施の形態について説明する。
本発明のエフロレッセンス抑制セメントは、普通ポルトランドセメントに、高炉スラグ微粉末と、膨張材と、繊維補強材と、多孔質骨材と、を配合してなる。
前記普通ポルトランドセメントは、建築工事や土木工事に使われる一般的な普通ポルトランドセメントである。

[高炉スラグ微粉末]
高炉スラグ微粉末は、従来よりコンクリートに配合されている材料であり、そのような従来品をそのまま使用することができる。この高炉スラグ微粉末は、普通ポルトランドセメントの一部を削減してその削減分を穴埋めする形で配合することにより、エフロレッセンスの原因物質である水酸化カルシウムを削減するものである。しかし一方、高炉スラグ微粉末の配合割合をむやみに増やすと凝結終結時刻が遅延して強度上の問題が発生する。

そこで普通ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末との最適な配合バランスを検討するため、普通ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末の合計に対する高炉スラグ微粉末の配合割合を３０重量％、６０重量％、９０重量％に設定すると共にその混合粉末に注水して貫入抵抗値の経時変化を測定した。その結果を図１のグラフに示す。なお、比較のため、普通ポルトランドセメントのみの貫入抵抗値の経時変化も同様に測定し、その結果を図１のグラフに「○」で示した。

図１のグラフによれば、高炉スラグ微粉末を６０重量％置換混入させた「□」のデータと、高炉スラグ微粉末を混入していない「○」のデータを比較しておおよそ１割程度の遅延に収まっていることから、高炉スラグ微粉末を６０重量％置換混入させても実用上問題ないことが分かる。
一方、高炉スラグ微粉末を９０重量％置換混入させた「◇」のデータによれば、高炉スラグ微粉末を混入していない「○」のデータに対して凝結終結時刻が１６０％超の遅延を示しており、実用的でないことが分かる。
以上の結果から、混合粉体における高炉スラグ微粉末の配合割合の上限値は６０重量％と考え、さらに安全率を考慮すると、高炉スラグ微粉末は、普通ポルトランドセメントとほぼ同じ１：１の比率で混合するのが最も実用的である。

[膨張材]
前記膨張材は、従来からコンクリートに配合されているもので、アウイン系、カルシウムアルミノフェライト系、石灰系等が挙げられる。
この膨張材は、セメント水和物に予め膨張圧力が与えられるようにしておくことで宿命である収縮分を保証し、ひび割れの発生を低減させるものであり、理論上硬化した状態で引張り方向の永久ひずみを残さなければよい。しかし実際には直径５０ｍｍ、高さ１００ｍｍの円柱形試料に対し引張り方向に４００μ程度の永久ひずみは許容範囲内にあると考えてよい。

以上のことから膨張材の好適な配合割合を決定するため、普通ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末をほぼ１：１の比率で混ぜた混合粉体に、アウイン系膨張材のＣＳＡ♯２０を混合粉体の重量に対して５重量％、１０重量％、２０重量％づつ配合して結合材とし、これに細骨材（砂）と、水を配合して前記形状の円柱形試料を製造すると共に、３０ｍｍの歪みゲージで１４日間ひずみを測定した。なお、細骨材の配合割合による差異を検証するため、細骨材の配合割合を普通ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末と膨張材の３要素を混合してなる前記結合材に対しその重量の３.５倍と４.０倍にしてそれぞれについて歪みを測定し、また、比較のため膨張材を配合しない円柱形試料についても同様の歪み測定を実施した。その結果を図２のグラフに示す。

図２のグラフによれば、膨張材の配合割合を普通ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末の混合粉体の重量に対して５重量％以上とすることにより引張り方向の永久ひずみが−４００μより大きくなることが分かる。したがって膨張材の配合割合の下限値は前記混合粉体の重量に対して５重量％以上とすればよい。一方、圧縮方向の永久ひずみは大きくても構わないが、無駄に大きくする必要もないため、膨張材の配合割合の実用上の上限値は圧縮方向の永久ひずみを約４００μにとどめるべく前記混合粉体の重量に対して１５重量％とするのが適当である。

なお、図２のグラフによれば、膨張材を配合しない場合（膨張材の配合割合が０重量％のところ）は引張り方向におおよそ４００〜６００μの永久ひずみが残存している。この収縮がひび割れを生じさせる原因となる。
一方、膨張材を前記混合粉体の重量に対して２０重量％配合することで最大で１，０００μの圧縮方向の永久ひずみが発生する。
言うまでもなく永久ひずみは±０程度になるのが好ましいことから、図２のグラフにおいて「○」で示されているように膨張材の配合割合を前記混合粉体の重量に対して１０重量％とするのが最もよい。
但し、図２のグラフ中、「●」に示されているように、単位セメント量が減少し細骨材の割合が多い調合の場合は、膨張材が前記混合粉体の重量に対して１０重量％の場合でも永久ひずみは引張り側にあった。これらの実験結果から実施形態では、単位骨材量を前記混合粉体に膨張材を加えた結合材に対して約３倍（Ｓ／Ｂ＝３.０）を基本として最大で３.５までの調合条件下において膨張材の配合割合を前記混合粉体の重量に対して１０重量％にした。

[繊維補強材]
前記繊維補強材は、ガラス、カーボン、プラスチック（ポリプロピレン）の繊維で６ｍｍ程度の長さにしたものであり、好ましくは強度、耐久性、価格等の面からガラス繊維がよい。この繊維補強材を配合することにより、ひび割れに作用する引張り力を繊維が負担して割れ幅の拡大を防止することができる。
そこで普通ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末をほぼ同じ比率で混合した混合粉体に細骨材と水を配合し、その混合粉体重量に対して１重量％と３重量％の繊維補強材（ガラス繊維）を配合して試料を作成し、その試料を３日間ビーカーの水に漬けて溶出するカルシウム量を測定した。なお、比較のため、繊維補強材を配合しない試料も作成して溶出するカルシウム量を同様に測定した。その結果を図３のグラフに示す。

図３のグラフによれば、繊維補強材の配合割合が多いほどひび割れが抑制されてカルシウムの溶出量が少なくなることが確認できた。この結果より、繊維補強材の配合割合はカルシウムの溶出防止の観点からは多いほどよい。しかし一方、繊維補強材の配合割合が多くなるほどモルタルの流動性が悪化し作業性が悪くなる。したがって繊維補強材の配合割合は、前記混合粉体の重量に対して３重量％以下とするのが適当である。また、この結果から混合粉体に膨張材を加えて耐ひび割れ性を強化した前記結合材の重量に対しても３重量％以下とするのが適当であることが判る。

[多孔質骨材]
多孔質骨材の原料としてモルデナイト系ゼオライトやクリノプチロライト系ゼオライトが挙げられる。本実施形態では酸やアルカリに強いと考えられるモルデナイト系ゼオライトを０.５〜１.５ｍｍの粒径にして配合する。

多孔質骨材は、多く入れ過ぎるとモルタルやコンクリートが凝結するために必要なカルシウムまで吸着して本来の硬化挙動に悪影響を及ぼすおそれがある。実際、図１のグラフにおいて普通ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末の合計重量に対して高炉スラグ微粉末を６０重量％置換混入させた混合粉体の試料に、その試料の重量に対してゼオライトを３重量％配合し、そのゼオライト配合の試料で同様に貫入抵抗値の経時変化を測定したところでは、図１のグラフ中、黒塗りの「□」で示したように多孔質骨材を配合していない試料に比べて約３０％の遅延が発生している。もちろんこの程度の遅延は実用上問題ないが、それ以上遅延が拡大することは避けた方がよいため、多孔質骨材の配合割合は、前記混合粉体の重量に対して３重量％以下にするのが適当である。また、このゼオライト配合による硬化挙動の結果は、前記混合粉体に膨張材を加えた結合材でも殆ど変わらないことが容易に推測できるから、当該結合材の重量に対しても３重量％以下の配合割合とするのが適当である。

本発明において好ましいエフロレッセンス抑制モルタルの調合は、普通ポルトランドセメント１００重量部、高炉スラグ微粉末１００重量部、膨張材２２.２重量部、繊維補強材（ガラス繊維）０.２重量部、多孔質骨材（ゼオライト）６.７重量部、細骨材６６６．７重量部、水１０７.７重量部である。
具体的には、
・普通ポルトランドセメント：４５ｋｇ
・高炉スラグ微粉末：４５ｋｇ
・膨張材ＣＳＡ♯２０：１０ｋｇ
・ガラス繊維（繊維長６ｍｍ）：０.１ｋｇ
・ゼオライト（粒径０.５〜１.５ｍｍ）：３ｋｇ
・細骨材（５ｍｍ以下）：３００ｋｇ
・水道水：４８ｋｇ
である。

このエフロレッセンス抑制モルタルで屋外に小型の壁供試体を作成して表面に装飾用の石材を施工し、１日２回３０分ずつ６ヶ月以上継続して散水し、その間定期的にエフロレッセンスを観察した。比較のため普通ポルトランドセメントの壁供試体に同様の石材を施工したもの（従来例）、普通ポルトランドセメントに膨張材とガラス繊維を配合して形成した壁供試体に同様の石材を施工したもの（比較例１）、普通ポルトランドセメントに高炉スラグ微粉末を配合して形成した壁供試体に同様の石材を施工したもの（比較例２）、を横並びに配置して同様にエフロレッセンスを観察した。その結果、従来例のエフロレッセンスが最もひどく、比較例１、比較例２の順に軽減はされたもののエフロレッセンスは肉眼で確認できた。一方、上記調合のエフロレッセンス抑制モルタルの壁供試体では肉眼で殆どエフロレッセンスが確認出来ないほど綺麗な状態が保たれていた。

以上本発明を実施の形態について説明したが、もちろん本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば実施形態の実施例としてエフロレッセンス抑制モルタルの好ましい調合例を示したが、かかる調合例はエフロレッセンス抑制コンクリートにも適用できる。
また、各要素を配合する順序は、請求項の記載形式及び実施形態の記載形成によって限定されるものではない。

Claims (6)

1. 普通ポルトランドセメントに、高炉スラグ微粉末と、膨張材と、繊維補強材と、多孔質骨材と、を配合してなることを特徴とするエフロレッセンス抑制セメント。
2. 普通ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末とをほぼ同じ比率で混合した混合粉体に膨張材５〜１５重量％を配合して結合材を形成し、この結合材に繊維補強材と多孔質骨材を配合してなることを特徴とする請求項１記載のエフロレッセンス抑制セメント。
3. 前記結合材は、普通ポルトランドセメント４５重量％、高炉スラグ微粉末４５重量％、膨張材１０重量％の配合割合であることを特徴とする請求項２記載のエフロレッセンス抑制セメント。
4. 前記結合材の重量に対して繊維補強材３重量％以下（但し、０重量％を除く。）と、多孔質骨材３重量％以下（但し、０重量％を除く。）を配合してなることを特徴とする請求項２又は３記載のエフロレッセンス抑制セメント。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のエフロレッセンス抑制セメントに細骨材と水を配合して硬化させたことを特徴とするエフロレッセンス抑制モルタル。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のエフロレッセンス抑制セメントに粗骨材と細骨材と水を配合して硬化させたことを特徴とするエフロレッセンス抑制コンクリート。

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