JP2012101962A - 自己治癒コンクリート用細骨材及び自己治癒コンクリート - Google Patents

Abstract

【課題】特定の細骨材を使用することにより、流動性を損ねることなく、いかなる環境下においても安定した自己治癒効果を発揮する自己治癒コンクリートを提供する
【解決手段】最大粒径５ｍｍ以下で、４５μｍ以下を２質量％以下、４５μｍを超え〜１ｍｍを１０質量％以上含むクリンカーからなる自己治癒コンクリート用細骨材であり、前記クリンカーが、早強セメントクリンカーおよび／またはエコセメントクリンカーである前記自己治癒コンクリート用細骨材であり、前記自己治癒コンクリート用細骨材を、１５０ｋｇ／ｍ^３以上配合した自己治癒コンクリートであり、さらに、膨張材を配合した前記自己治癒コンクリートであり、さらに、クリンカー粗骨材を配合した前記自己治癒コンクリートであり、セメントが、低熱セメント、中庸熱セメント、およびフライアッシュセメントから選ばれた１種または２種以上である前記自己治癒コンクリートである。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に、土木・建築分野で使用される自己治癒コンクリート用細骨材及び自己治癒コンクリートに関する。

セメント・コンクリートに求められる性能は益々、多様化／高機能化している。これまで、コンクリートの材料開発は、セメントや混和材料を主体に行われてきた。特に、コンクリートのひび割れは、耐久性に大きな影響を及ぼすため、その抑制技術の開発研究は多方面から検討されている。例えば、膨張材や収縮低減剤などにより、コンクリートのひび割れを抑制する検討が行われてきた。

最近では、ひび割れを自己治癒するコンクリート、いわゆる自己治癒コンクリートの研究も盛んに行われている。自己治癒コンクリートの開発例としては、低水結合材比のコンクリートに膨張材を配合する方法（特許文献１）や、膨張材やジオマテリアル、炭酸塩などを組み合わせて配合した混和材料をコンクリートに配合する方法（特許文献２）、セメントクリンカーを用いる方法（特許文献３）などが知られている。

また、セメントクリンカーを骨材として利用する研究も行われている。セメントクリンカーを粗骨材として利用する研究（非特許文献１〜非特許文献４）や、セメントクリンカーを細骨材として用いたモルタルの性状について報告がある（非特許文献５）。

特開２００３−２６７７６５号公報 特開２００５−２３９４８２号公報 特開平９−８６９８３号公報

鈴川研二、安部光史、川上正史：セメントクリンカーを粗骨材に用いたコンクリートの強度特性に関する一実験、土木学会年次学術講演会講演概要集、第５部、Ｖｏｌ．４５、ｐｐ．４２０−４２１、１９９０ 樫村欣哉、鈴川研二、川上正史：粗骨材としてのセメントクリンカーがコンクリートの圧縮靭性に及ぼす影響について、土木学会年次学術講演会講演概要集、第５部、Ｖｏｌ．４５、ｐｐ．４２２−４２３、１９９０ 田中勲、鈴木信雄：クリンカーを骨材に使用したリサイクルしやすいコンクリートに関する研究、日本建築学会学術講演梗概集、Ａ−１、材料施工、Ｖｏｌ．１９９５、ｐｐ．１４９７−１４９８、１９９５ 北条泰秀、尾花博、高橋章：エコセメントクリンカーの骨材性状、日本道路会議論文集、Ｖｏｌ．２４、一般Ｃ、ｐｐ．４７２−４７３、２００１ 山下牧生、三浦春樹、田中久順、下坂健一：セメントクリンカーを細骨材としたモルタルの諸性状、宇部三菱セメント研究報告、Ｎｏ．５、ｐｐ．５６−６４、２００４

本発明は、特定の細骨材を使用することにより、流動性を損ねることなく、安定した自己治癒効果を発揮する自己治癒コンクリートを提供する。

本発明は、（１）最大粒径５ｍｍ以下で、４５μｍ以下を２質量％以下、４５μｍを超え〜１ｍｍを１０質量％以上含むクリンカーからなる自己治癒コンクリート用細骨材、（２）クリンカーが、早強セメントクリンカーおよび／またはエコセメントクリンカーである（１）の自己治癒コンクリート用細骨材、（３）（１）または（２）の自己治癒コンクリート用細骨材を、１５０ｋｇ／ｍ^３以上配合した自己治癒コンクリート、（４）さらに、膨張材を配合した（３）の自己治癒コンクリート、（５）さらに、クリンカー粗骨材を配合した（３）または（４）の自己治癒コンクリート、（６）セメントが、低熱セメント、中庸熱セメント、およびフライアッシュセメントから選ばれた１種または２種以上である（３）〜（５）のいずれかの自己治癒コンクリート、（７）（３）〜（５）のいずれかの自己治癒コンクリートを用いた遠心成形コンクリート、である。

本発明は、特定粒度のクリンカー細骨材を特定量配合することにより、流動性を損ねることなく、安定した自己治癒効果を発揮する自己治癒コンクリートを提供する。

側面側配筋図（自己治癒性能の評価：その１用） 断面側配筋図（自己治癒性能の評価：その１用） 側面側配筋図（自己治癒性能の評価：その２用） 断面側配筋図（自己治癒性能の評価：その２用）

１：フープ鉄筋（φ６ｍｍ）
２：ストレート鉄筋（φ６ｍｍ）

なお、本発明で使用する部、％は、特に規定しない限り質量基準である。
また、本発明で云うコンクリートとは、セメントモルタル、セメントコンクリートを総称するものである。

本発明でいうクリンカーとは、ＣａＯ原料、Ａｌ_２Ｏ_３原料、Ｆｅ_２Ｏ_３原料、ＳｉＯ_２原料、およびＣａＳＯ_４原料を粉砕して混合し、ロータリーキルンなどで焼成して得られるものであり、普通セメントクリンカー、早強セメントクリンカー、低熱セメントクリンカー、中庸熱セメントクリンカー、エコセメントクリンカーなどが挙げられる。いずれのクリンカーも鉱物として、３ＣａＯ・ＳｉＯ_２（Ｃ_３Ｓと略記）や２ＣａＯ・ＳｉＯ_２（Ｃ_２Ｓと略記）で表されるカルシウムシリケート、４ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・Ｆｅ_２Ｏ_３（Ｃ_４ＡＦと略記）で表されるカルシウムアルミノフェライト、３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３（Ｃ_３Ａと略記）で表されるカルシウムアルミネートを含有する。各鉱物の含有率はＪＩＳ Ｒ ５２０２またはＪＩＳ Ｒ ５２０４による化学分析の結果から、ボーグ式によって算出される。
本発明で使用するクリンカーは、特に限定されないが、早強クリンカーおよび／またはエコクリンカーを用いると自己治癒性能が高まるため好ましい。一般に普通クリンカーは、Ｃ_３Ｓを５０〜７０％、Ｃ_２Ｓを１２〜２５％含有し、早強クリンカーは、Ｃ_３Ｓを６０〜８０％、Ｃ_２Ｓを５〜１２％含有し、エコクリンカーは、Ｃ_３Ｓを４５〜７５％、Ｃ_２Ｓを５〜２５％、Ｃ_３Ａを１０〜２０％、Ｃ_４ＡＦを１０〜２０％含有している。

本発明の自己治癒コンクリートは、最大粒径５ｍｍ以下で、４５μｍ以下の微粉の含有量が２質量％以下で、４５μｍを超え〜１ｍｍの粒子を１０質量％以上含むクリンカー細骨材を１５０ｋｇ／ｍ^３以上配合することを特徴とする。クリンカー細骨材の４５μｍ以下の微粉の含有率が２質量％以下でないと、これを用いたコンクリートの流動性が悪くなったり、自己治癒性能が十分でなかったりする場合がある。また、クリンカー細骨材の４５μｍを超え〜１ｍｍの粒子が１０質量％以上ないと、十分な自己治癒性能が発揮されない場合がある。また、最大粒径が５ｍｍ以下でないと自己治癒性能が十分でなかったりする場合がある。

クリンカー細骨材の使用量が１５０ｋｇ／ｍ^３以上でないと、十分な自己治癒性能が発揮されない場合がある。クリンカー細骨材の使用量は３００ｋｇ／ｍ^３以上が好ましく、５００ｋｇ／ｍ^３以上がより好ましく、細骨材の全量を用いることが最も好ましい。

本発明では、クリンカー細骨材に加えて、クリンカー粗骨材を併用することができる。クリンカー粗骨材は、球形なので流動性改善の効果もあり、また、強度発現性の面から、自己治癒性能の向上の面から、クリンカー細骨材と併用することが好ましい。

これらのうち、自己治癒性能の面から、早強セメントクリンカーおよび／またはエコセメントクリンカーを選定することが好ましい。

本発明で使用する膨張材とは、ＣａＯ原料、Ａｌ_２Ｏ_３原料、Ｆｅ_２Ｏ_３原料、ＳｉＯ_２原料、およびＣａＳＯ_４原料を適宜混合して熱処理して得られるもので、遊離石灰−水硬性化合物−無水石膏を主体とするもので、エトリンガイト系、石灰系、エトリンガイト石灰複合系などが市販されている。水硬性化合物とは３ＣａＯ・３Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＳＯ_４で表されるアウイン、３ＣａＯ・ＳｉＯ_２（Ｃ_３Ｓと略記）や２ＣａＯ・ＳｉＯ_２（Ｃ_２Ｓと略記）で表されるカルシウムシリケート、４ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・Ｆｅ_２Ｏ_３（Ｃ_４ＡＦと略記）や６ＣａＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・Ｆｅ_２Ｏ_３（Ｃ_６Ａ_２Ｆと略記）、６ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・Ｆｅ_２Ｏ_３（Ｃ_６ＡＦと略記）で表されるカルシウムアルミノフェライト、２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３（Ｃ_２Ｆと略記）などのカルシウムフェライトなどであり、これらのうちの１種または２種以上を含むことが好ましい。
膨張材の使用量は、特に限定されるものではないが、通常、５〜４０ｋｇ／ｍ^３が好ましく、１０〜３０ｋｇ／ｍ^３がより好ましく、１５〜２５ｋｇ／ｍ^３が最も好ましい。５ｋｇ／ｍ^３未満では自己治癒の助長効果が十分でなく、４０ｋｇ／ｍ^３を超えると過膨張となる場合がある。

本発明では、遠心成形することによってコンクリートの自己治癒性能が高まる。遠心成形の条件は特に限定されるものではなく、例えば、回転台上に型枠を置いて、通常のコンクリートを投入し、低速（Ｇ５×５分）、中速（Ｇ２０×３分）、高速（Ｇ３０×５分）の三段階の遠心力成形条件で遠心力成形体を成形する。

本発明で用いるセメントは、特に限定されるものではなく、普通セメント、早強セメント、低熱セメント、中庸熱セメント、エコセメント、高炉セメント、フライアッシュセメントなどが挙げられる。中でも、低熱セメント、中庸熱セメント、フライアッシュセメントを選定することが、自己治癒効果が顕著である面から好ましい。

本発明では、砂、砂利、減水剤、高性能減水剤、ＡＥ減水剤、高性能ＡＥ減水剤、流動化剤、消泡剤、増粘剤、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、高分子エマルジョン、および凝結調整剤、ならびにセメント急硬材、ベントナイトなどの粘土鉱物、ゼオライト等のイオン交換体、シリカ質微粉末、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、石膏、ケイ酸カルシウムなどが挙げられ、有機系材料としては、ビニロン繊維、アクリル繊維、炭素繊維等の繊維状物質が挙げられる。

以下、実施例で詳細に説明する。

「実験例１」
表１に示す様々なクリンカー細骨材を用い、単位水量１７５ｋｇ／ｍ^３、単位セメント量３００ｋｇ／ｍ^３、ｓ／ａ＝４６％、スランプ１８ｃｍのコンクリートを調製した。クリンカー細骨材の単位量は３００ｋｇ／ｍ^３、残りはすべて細骨材Ｊとし、コンクリートのスランプロスと自己治癒特性を評価した。なお、練り混ぜ直後のスランプ値が１８ｃｍになるように適宜減水剤を添加して調整した。結果を表１に併記する。

（使用材料）
早強セメントクリンカー：Ｃ_３Ｓ７１．２％、Ｃ_２Ｓ７．２％、Ｃ_４ＡＦ１０．０％、Ｃ_３Ａ８．７％
普通セメントクリンカー：Ｃ_３Ｓ６０．１％、Ｃ_２Ｓ１５．７％、Ｃ_４ＡＦ１０．０％、Ｃ_３Ａ１０．２％
エコセメントクリンカー：Ｃ_３Ｓ５４．９％、Ｃ_２Ｓ１５．０％、Ｃ_４ＡＦ１２．７％、Ｃ_３Ａ１３．３％
細骨材Ａ：早強セメントクリンカーの粉砕物、Ｇｍａｘ５ｍｍ、４５μｍ以下の含有率１％、４５μｍを超え〜１ｍｍの含有率１５％。
細骨材Ｂ：早強セメントクリンカーの粉砕物、Ｇｍａｘ５ｍｍ、４５μｍ以下の含有率２％、４５μｍを超え〜１ｍｍの含有率１５％。
細骨材Ｃ：早強セメントクリンカーの粉砕物、Ｇｍａｘ５ｍｍ、４５μｍ以下の含有率３％、４５μｍを超え〜１ｍｍの含有率１５％。
細骨材Ｄ：早強セメントクリンカーの粉砕物、Ｇｍａｘ５ｍｍ、４５μｍ以下の含有率１％、４５μｍを超え〜１ｍｍの含有率５０％。
細骨材Ｅ：早強セメントクリンカーの粉砕物、Ｇｍａｘ５ｍｍ、４５μｍ以下の含有率１％、４５μｍを超え〜１ｍｍの含有率３０％。
細骨材Ｆ：早強セメントクリンカーの粉砕物、Ｇｍａｘ５ｍｍ、４５μｍ以下の含有率１％、４５μｍを超え〜１ｍｍの含有率１０％。
細骨材Ｇ：早強セメントクリンカーの粉砕物、Ｇｍａｘ５ｍｍ、４５μｍ以下の含有率１％、４５μｍを超え〜１ｍｍの含有率５％。
細骨材Ｈ：普通セメントクリンカーの粉砕物、Ｇｍａｘ５ｍｍ、４５μｍ以下の含有率１％、４５μｍを超え〜１ｍｍの含有率１５％。
細骨材Ｉ：エコセメントクリンカーの粉砕物、Ｇｍａｘ５ｍｍ、４５μｍ以下の含有率１％、４５μｍを超え〜１ｍｍの含有率１５％。
細骨材Ｊ：新潟県姫川産、砕砂、Ｇｍａｘ５ｍｍ、比重２．６２ｇ／ｃｍ^３。
粗骨材イ：新潟県姫川産の砕石、Ｇｍａｘ２５ｍｍ、比重２．６４ｇ／ｃｍ^３。
セメント（１）：普通ポルトランドセメント、ブレーン比表面積３３００ｃｍ^２／ｇ、比重３．１５ｇ／ｃｍ^３。
水：水道水
減水剤：スーパー３００Ｋ−１０２ （グレースケミカルズ）

（測定方法）
スランプ：ＪＩＳ Ａ １１０１に準じて測定。練り混ぜ直後と９０分後に測定を行った。

（試験方法）
［自己治癒性能の評価：その１］
試験体寸法：φ１５×１５ｃｍの円柱状とし、図１に示すように鉄筋を内部に配筋する。２０℃の水中で材齢２８日まで養生を行い、この時点でこの試験体に割裂試験の要領で幅０．２ｍｍのひび割れを発生させ、ひび割れ幅はπ型ゲージを使用し調整する。試験体を立てた状態で透水試験機にセットし、２０ｋＰａの水圧をかけて透水量を調べる。透水試験を開始し、透水材齢１４日から２４時間の透水量を、透水材齢１日から２４時間の透水量で除した数値を漏水率とする。
漏水率（％）＝透水材齢１４日から２４時間の透水量／透水材齢１日から２４時間の透水量×１００
また、ひび割れを導入した同じ試験体を２０℃水中で１ヶ月間さらに水中養生し、表面ひび割れ幅をマイクロウォッチャーで計測した。水中養生１ヶ月後のひび割れ幅を、ひび割れ導入時の０．２ｍｍで除した数値をひび割れ残存率とする。
ひび割れ残存率（％）＝（水中養生１ヶ月後のひび割れ幅／０．２０）×１００

［自己治癒性能の評価：その２］
遠心成形用の型枠（直径２０ｃｍ×長さ３０ｃｍ×厚さ４ｃｍ）を回転台上に置き、内部に図２に示すような鉄筋を型枠内部に固定してコンクリートを投入し、低速（Ｇ５×５分）、中速（Ｇ２０×３分）、高速（Ｇ３０×５分）の三段階の遠心力成形条件で遠心力成形体を成形する。２０℃の水中で材齢２８日養生した時点で、この遠心力成形コンクリート試験体に割裂試験の要領で幅０．２ｍｍのひび割れを発生させ、ひび割れ幅はπ型ゲージを使用し調整する。２０℃水中に沈めてさらに１ヶ月間養生し、表面ひび割れ幅をマイクロウォッチャーで計測する。１ヶ月後のひび割れ幅を、ひび割れ導入時の０．２ｍｍで除した数値をひび割れ残存率とした。
ひび割れ残存率＝（水中養生１ヶ月後のひび割れ幅／０．２０）×１００。

「実験例２」
クリンカー細骨材Ａを使用し、クリンカー細骨材の使用量を表２に示すように変化したこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表２に示す。

「実験例３」
クリンカー細骨材Ａを３００ｋｇ／ｍ^３使用し、表３に示すように膨張材を併用したこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表３に示す。

（使用材料）
市販膨張材Ａ：石灰エトリンガイト複合系、遊離石灰５０％、アウイン１２％、無水石膏３０％。
市販膨張材Ｂ：エトリンガイト系、遊離石灰２０％、アウイン３４％、無水石膏４５％。

「実験例４」
クリンカー細骨材Ａを３００ｋｇ／ｍ^３使用し、表４に示すようにクリンカー粗骨材を併用したこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表４に示す。また比較例としてクリンカー細骨材Ａを併用しない場合を示す。

（使用材料）
早強セメントクリンカー：Ｃ_３Ｓ７１．２％、Ｃ_２Ｓ７．２％、Ｃ_４ＡＦ１０．０％、Ｃ_３Ａ８．７％
普通セメントクリンカー：Ｃ_３Ｓ６０．１％、Ｃ_２Ｓ１５．７％、Ｃ_４ＡＦ１０．０％、Ｃ_３Ａ１０．２％
低熱セメントクリンカー：Ｃ_３Ｓ２８．０％、Ｃ_２Ｓ５８．２％、Ｃ_４ＡＦ１．５％、Ｃ_３Ａ１０．５％
粗骨材ロ：早強セメントクリンカーの粉砕物、Ｇｍａｘ２５ｍｍ、最小粒度５ｍｍ、比重３．２０ｇ／ｃｍ^３。
粗骨材ハ：普通セメントクリンカーの粉砕物、Ｇｍａｘ２５ｍｍ、最小粒度５ｍｍ、比重３．２１ｇ／ｃｍ^３。
粗骨材ニ：低熱セメントクリンカーの粉砕物、Ｇｍａｘ２５ｍｍ、最小粒度５ｍｍ、比重３．２６ｇ／ｃｍ^３。

「実験例５」
クリンカー細骨材Ａを３００ｋｇ／ｍ^３使用し、表５に示すようにセメントの種類を変化したこと以外は実施例１と同様に行った。結果を表５に示す。

（使用材料）
セメント（２）：早強セメント、ブレーン比表面積４５００ｃｍ^２／ｇ、比重３．１４ｇ／ｃｍ^３。
セメント（３）：中庸熱セメント、ブレーン比表面積４５００ｃｍ^２／ｇ、比重３．１４ｇ／ｃｍ^３。
セメント（４）：低熱セメント、ブレーン比表面積３５００ｃｍ^２／ｇ、比重３．２４ｇ／ｃｍ^３。
セメント（５）：フライアッシュセメントＢ種、ブレーン比表面積３４００ｃｍ^２／ｇ、比重２．９６ｇ／ｃｍ^３。

「実験例６」
自己治癒試験を開始する材齢を２８日から９１日としたこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表６に示す。

「実験例７」
自己治癒試験を開始するまでの養生温度を２０℃から３５℃としたこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表７に示す。

本発明の自己治癒コンクリート用細骨材は、流動性を損ねることなく、いかなる環境条件においても安定した自己治癒効果を発揮する自己治癒コンクリートが得られるので広範に利用できる。

Claims (7)

1. 最大粒径５ｍｍ以下で、４５μｍ以下を２質量％以下、４５μｍを超え〜１ｍｍを１０質量％以上含むクリンカーからなる自己治癒コンクリート用細骨材。
2. クリンカーが、早強セメントクリンカーおよび／またはエコセメントクリンカーであることを特徴とする請求項１に記載の自己治癒コンクリート用細骨材。
3. 請求項１または２に記載の自己治癒コンクリート用細骨材を、１５０ｋｇ／ｍ^３以上配合したことを特徴とする自己治癒コンクリート。
4. さらに、膨張材を配合したことを特徴とする請求項３に記載の自己治癒コンクリート。
5. さらに、クリンカー粗骨材を配合したことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の自己治癒コンクリート。
6. セメントが、低熱セメント、中庸熱セメント、およびフライアッシュセメントから選ばれた１種または２種以上であることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１項に記載の自己治癒コンクリート。
7. 請求項３〜請求項５のいずれか１項に記載の自己治癒コンクリートを用いた遠心成形コンクリート。

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