JP2013043796A - セメント材料及びセメント硬化体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心成形により高強度のコンクリート部材を形成可能なセメント材料を提供すること。
【解決手段】セメント及びシリカフュームを含むセメント成分と、少なくとも細骨材を含有する骨材と、水とを含み、単位水量が１２０ｋｇ／ｍ^３以下であり、セメント成分に対する水の割合が１６質量％以下であり、且つ、骨材全体の容積中の細骨材の容積の割合が４０％以上であるセメント材料。
【選択図】なし

Description

本発明は、セメント材料及びセメント硬化体の製造方法に関する。

コンクリート部材の成形において、既成杭の生産などの際に遠心成形が多く用いられている。遠心成形は、型枠内にコンクリート材料を入れ、この型枠を高速回転させ、これにより生じる遠心力によって、型枠の内面にコンクリート材料を押し付けるようにして締め固める成形方法であり、円筒状の部材を効率よく製造することができる。

遠心成形では、遠心力を利用した締め固めが可能であることから、コンクリート材料の流し込み後に硬化させる通常の方法に比して、単位水量を大きく低減することが可能となる。そのため、同じ水セメント比とする場合で比較すれば、結果として通常の方法よりもセメント量を低減することができるので、環境への負荷を小さくできるとともに、硬化の際に生じやすかった自己収縮を低減できるという効果が得られる。

このように、遠心成形によるコンクリート部材の成形には多くの利点があるが、これまで、遠心成形によって高強度のコンクリート部材を得ることは困難な傾向にあった。そこで、下記特許文献１には、水結合材比及び単位水量を所定の範囲とした遠心成形超高強度コンクリート組成物が開示されている。

特開２００８−１３３８２号公報

しかしながら、近年では、遠心成形により製造されるコンクリート部材に対して、これまで以上の高強度化が望まれている。

そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、遠心成形により高強度のコンクリート部材を形成可能なセメント材料、及び、そのようなセメント材料を用い、遠心成形により高強度のコンクリート部材を形成できるセメント硬化体の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のセメント材料は、セメント及びシリカフュームを含むセメント成分と、少なくとも細骨材を含有する骨材と、水とを含み、単位水量が１２０ｋｇ／ｍ^３以下であり、セメント成分に対する水の割合が１６質量％以下であり、且つ、骨材全体の容積中の細骨材の容積の割合が４０％以上であることを特徴とする。

上記本発明のセメント材料は、セメント成分として、セメント及びシリカヒュームを含むものを含有し、しかも、単位水量が１２０ｋｇ／ｍ^３以下という低い範囲であり、セメント成分に対する水の割合（以下、「水セメント比」という。）が１６質量％以下という低い範囲であり、且つ、骨材全体の容積中の細骨材の容積の割合（以下、「細骨材率」という。）が４０質量％以上と高いことにより、遠心成形により硬化体を製造した場合に、高強度、具体的には１８０Ｎ／ｍｍ^２以上の圧縮強度を有する成形体（セメント硬化体）を形成することができる。

本発明のセメント材料においては、単位水量が１１０ｋｇ／ｍ^３以上であると好ましく、また、セメント成分に対する水の割合が１４質量％以上であると好ましい。これらの条件を満たすことで、遠心成形により高強度の成形体が一層得られ易くなる。

本発明はまた、上記本発明のセメント材料を、遠心成形により成形して成形体を得る工程を含む、セメント硬化体の製造方法を提供する。

本発明のセメント硬化体の製造方法によれば、上記本発明のセメント材料を用いて遠心成形により成形体（セメント硬化体）を製造することから、高強度、特に１８０Ｎ／ｍｍ^２以上の圧縮強度を有する成形体を製造することができる。

本発明によれば、遠心成形により高強度のコンクリート部材を形成可能なセメント材料、及び、そのようなセメント材料を用い、遠心成形により高強度のコンクリート部材を形成できるセメント硬化体の製造方法を提供することが可能となる。

実施形態における遠心成形に用いる成形装置の断面構成を模式的に示す図である。

好適な実施形態のセメント材料は、セメント及びシリカフュームを含むセメント成分と、少なくとも細骨材を含有する骨材と、水とを含み、単位水量が１２０ｋｇ／ｍ^３以下であり、セメント成分に対する水の割合が１６質量％以下であり、且つ、骨材中の細骨材の割合が６０質量％以上である。

まず、セメント材料に含まれる成分について説明する。

セメント成分は、セメント及びシリカフュームを含む。セメントとしては、普通、早強、中庸熱、低熱、耐硫酸塩性、白色などの各種ポルトランドセメント、高炉スラグや通常のフライアッシュをポルトランドセメントに混合した混合セメント、エコセメント、超早強セメントや急硬セメント等が挙げられる。また、これらのセメントの複数を任意量混合したセメントも使用することができる。なかでも、セメントとしては、低熱ポルトランドセメント、または、中庸熱ポルトランドセメントが好ましい。

シリカフュームとは、金属シリコンやフェロシリコンなどのシリコンアロイを電気炉等で製造する際に副生する球形の超微粒子である。シリカフュームとしては、主成分として非晶質ＳｉＯ_２を含み、少量成分としてＡｌ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＴｉＯ_２等を含むものが挙げられる。

セメント成分としては、シリカフュームの含有率が、シリカフューム及びセメントの合計に対して５〜２０質量％のものが好ましく、１０〜１５質量％のものがより好ましい。このようなシリカフューム／セメント比を有するセメント成分を含有することで、一層優れた強度を有するセメント硬化体が得られやすくなる。なお、セメント成分は、あらかじめセメントにシリカフュームを混合したシリカフュームプレミックスセメントであってもよく、セメント材料の調製時にセメントとシリカフュームとが混合されたものであってもよい。

セメント材料に含まれる骨材は、細骨材及び粗骨材に分類されるが、本実施形態のセメント材料は、骨材として少なくとも細骨材を含む。本明細書において、細骨材とは、ＪＩＳ Ａ ５３０８ レディミクストコンクリート 付属書Ｉに合致するコンクリート用細骨材をいうこととする。

細骨材としては、通常、コンクリートにおいて細骨材として用いられるものを特に制限なく適用することができ、例えば、川砂、山砂、海砂等の天然骨材や、砕石、砕砂、高炉スラグ細骨材等の人工骨材、コンクリート廃材から取り出した再生骨材等が挙げられる。

骨材は、細骨材に加えて粗骨材を含んでいてもよい。本明細書において、粗骨材は、上記細骨材よりも大きい平均粒径を有する骨材であることを意味する。本明細書において、粗骨材とは、ＪＩＳ Ａ ５３０８ レディミクストコンクリート 付属書Ｉに合致するコンクリート用粗骨材をいうこととする。粗骨材としては、コンクリートにおいて粗骨材として用いられるものを特に制限なく適用することができ、川砂利、海砂利、山砂利、砕石、スラグ砕石等が挙げられる。

本実施形態のセメント材料は、セメント成分、骨材及び水のほかに、セメントに含有される混和剤を必要に応じて更に含有していてもよい。混和剤としては、ＡＥ剤、減水剤、高性能減水剤、ＡＥ減水剤、高性能ＡＥ減水剤等が挙げられる。混和剤は、セメント材料を用いて遠心成形を行って得られる成形体の強度を低下させない程度に配合することが好ましい。

次に、セメント材料の配合について説明する。

セメント材料において、セメント成分のセメント材料１ｍ^３あたりに含まれる質量（このように定義される量を、以下、「単位容積質量（ｋｇ／ｍ^３）」という。）は、６２５〜８５７ｋｇ／ｍ^３であると好ましく、７５０〜８５７ｋｇ／ｍ^３であるとより好ましい。このような範囲であると、十分に高強度の成形体を得ながら、セメント材料を用いて成形を行う際等における自己収縮を良好に低減することが可能となる。

また、骨材の単位容積質量は、１５００〜１８００ｋｇ／ｍ^３であると好ましく、１５００〜１７５５ｋｇ／ｍ^３であるとより好ましい。骨材の単位容積質量が好適な範囲であるほど、遠心成形により高強度の成形体が得られ易くなる傾向にある。

セメント材料において、骨材全体の容積中の細骨材の容積の割合（細骨材率）は、４０％以上であり、６０％以上であると好ましく、８０％以上であると更に好ましい。細骨材率が４０％未満であると、相対的に粗骨材の量が多くなる。ところが、高強度、特に圧縮強度が１８０Ｎ／ｍｍ^２以上であるようなセメント硬化体では、粗骨材の量が多くなると圧縮強度が低下する場合があるので、粗骨材による強度の低下を少なくするために、細骨材率が上記の範囲であると好ましい。

同様の観点から、セメント材料における粗骨材容積は、０．３８（ｍ^３／ｍ^３）以下であることが好ましく、０．１３（ｍ^３／ｍ^３）以下であると更に好ましい。ここで、粗骨材容積とは、セメント材料１ｍ^３中の粗骨材の容積（ｍ^３）の値である。セメント材料は、骨材として必ずしも粗骨材を含まなくてもよいので、粗骨材容積は０（ｍ^３／ｍ^３）であってもよいが、好適な範囲で粗骨材を含むほうがより高い強度が得られる傾向にあるので、粗骨材溶液の下限値は０．１２（ｍ^３／ｍ^３）であると好ましい。

セメント材料における単位水量は、１２０ｋｇ／ｍ^３以下である。ここで、単位水量とは、セメント材料の体積１ｍ^３中に含まれる水の質量を意味し、この単位水量には骨材中の水分の量は含まない。セメント材料の単位水量を１２０ｋｇ／ｍ^３以下とすることで、遠心成形により緻密な組織が形成され易く、高強度の成形体が得られるほか、同じ水セメント比であればセメント量をより少なくできるので、環境への負荷や、成形時の自己収縮等を低減することが可能となる。ただし、単位水量が小さすぎると、成形できなくなるという不都合が生じやすくなるので、単位水量は、１００ｋｇ／ｍ^３以上であると好ましく、１１０ｋｇ／ｍ^３以上であるとより好ましい。

また、セメント材料においては、セメント成分に対する水の割合（水セメント比）が１６質量％以下である。水セメント比が１６質量％を超えると、十分に高い強度の成形体が得られ難くなる。ただし、水セメント比が小さすぎると、遠心成形による成形が困難となる傾向にあるので、水セメント比は、１２質量％以上であると好ましく、１４質量％以上であえるとより好ましい。

次に、上述したセメント材料を用いて成形体（セメント硬化体）を製造する方法について説明する。

本実施形態のセメント硬化体の製造方法では、上述した実施形態のセメント材料を、遠心成形により成形して、円筒状のセメント硬化体を得る。この方法では、まず、セメント材料を所定の型枠内に投入する。型枠としては、その内部の形状が所望とするセメント硬化体の形状に対応しているものを適用する。本実施形態では、遠心成形によりセメント硬化体を効率よく製造する観点から、円筒形の成形体が納まるような内部形状を有する型枠を適用することが好ましい。

次いで、セメント材料が収容された型枠を高速回転させ、この回転に伴って生じる遠心力によりセメント材料を型枠内部の面に押し付け、これによりセメント材料を押し固める。型枠の回転方向は、セメント材料が型枠の内面に押し付けられる遠心力が生じるような方向とすればよく、円筒形の成形体を形成する場合は、円筒の中心を軸として回転するような方法が挙げられる。回転速度は、セメント材料の性質に応じて適宜変更することができるが、例えば、回転半径が１ｍであるとして、１２０〜１６０ｒｐｍとすることができる。

ここで、遠心成形に用いる成形装置の一例について説明する。図１は、本実施形態における遠心成形に用いる成形装置の断面構成を模式的に示す図である。図１に示す成形装置１００は、円筒状の遠心成形用型枠１０と、これに接するように配置された２つのローラー２０とを備える。遠心成形用型枠１０は、これと接しているローラー２０の回転によって円筒の周方向に回転することができる。この成形装置１００においては、遠心成形用型枠１０内に、セメント材料３０及びコンクリート中に配筋される鋼材４０が配置され、遠心成形用型枠１０の回転による遠心力によってセメント材料が遠心成形用型枠１０の内表面に押し付けられ、その結果、セメント材料３０中に鋼材４０が配された成形体が得られる。

このような遠心成形により成形体を得た後、必要に応じて成形体を型枠から取り除き、所定の養生を施すことによりセメント材料を硬化させて、セメント硬化体を得る。養生は、通常、セメント材料（コンクリート）の硬化が行われるような温度、湿度等の条件下に成形体を置くことで行うことができるが、オートクレーブ養生を行うことがより好ましい。オートクレーブ養生を行うことによって、より高強度のセメント硬化体を得ることが可能となる。

オートクレーブ養生とは、セメント材料を高温・高圧条件下で蒸気に晒すことによって、セメント材料を硬化させる方法である。オートクレーブ養生は、例えば既成杭の製造等に一般的に用いられる手法であり、実用レベルの大きさの建設部材を製造する際にも十分に適用することができる。

本実施形態のセメント材料を用いてオートクレーブ養生を行う場合、その条件は、通常、オートクレーブ養生に適用される条件とすることができる。例えば、圧力条件は、０．５〜１．６５ＭＰａとすることがより好ましい。また、温度条件は、１５０〜２００℃とすることがより好ましい。

また、オートクレーブ養生を行う場合、オートクレーブ養生後の成形体に、より温和な条件での養生を行ってもよい。

上記のような方法により、セメント材料からセメント硬化体を得ることができる。このセメント硬化体は、型枠の内部形状に対応した所望の形状、例えば、遠心成形によりセメント材料が外側に偏在して形成された円筒形を有するものとなる。このようなセメント硬化体は、既成杭等のコンクリート部材として適用することができる。

そして、上記方法により得られたセメント硬化体は、上述した実施形態のセメント材料を用い、遠心成形により形成されたものであるから、緻密な構造を有しており、例えば、１８０Ｎ／ｍｍ^２以上の圧縮強度を有するような高強度を有するものとなる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上述した実施形態に制限されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

［セメント硬化体の製造］
まず、セメント成分（セメント及びシリカフュームを含むセメント成分、商品名：シリカフュームセメント、宇部三菱セメント社製）、細骨材（砕砂）、粗骨材（砕石）及び水を、下記表１に示す割合で配合して、各種セメント材料を得た。

次に、これらのセメント材料をそれぞれ型枠に入れ、遠心成形を行うことで、外半径１６０ｍｍ、高さ２４０ｍｍ、円筒部分の厚さ４０ｍｍの円筒形の成形体を得た。この遠心成形では、表１に示す最大遠心力（Ｇ）が加わるように型枠を回転させた。遠心成形の２日後、各成形体を型枠から取り外し、オートクレーブ養生を行った後、試験材齢（２８日）まで２０℃、６０％ＲＨの条件で養生室に保管して、各種の円筒形のセメント硬化体を得た。

表１に示す各種セメント硬化体のうち、試料Ｎｏ．１〜６、９〜１１、１３〜１４が、本発明の条件を満たすことから実施例に該当し、それ以外が比較例に該当する。

［セメント硬化体の評価］
上記で得られた各種のセメント硬化体について、厚み変動係数及び圧縮強度を測定して、それらの成形性及び強度について評価した。厚み変動係数は、セメント硬化体の円筒部分の厚さについて、円筒の周方向の８箇所を等間隔で測定し、それらの値（ｍｍ）の変動係数（標準偏差／平均値）を算出することにより求めた。また、圧縮強度は、ＪＩＳ Ａ １１０８に準拠するコンクリートの圧縮強度試験方法により測定した。得られた結果を表２に示す。

表２においては、成形性について、厚み変動係数が１０よりも小さかったものを、成形性が良好であるとしてＡと示し、１０以上であったものを成形性が劣るとしてＢと示した。なお、試料Ｎｏ．９〜１４は、成形性について、目視でＡ及びＢのいずれに相当するかを評価した。また、強度について、強度が１８０Ｎ／ｍｍ^２以上であったものを高強度であるとしてＡと示し、１８０Ｎ／ｍｍ^２未満であったものを強度が劣るとしてＢと示した。

表２に示されるように、試料Ｎｏ．１〜６、９〜１１、１３〜１４のセメント硬化体は、１８０Ｎ／ｍｍ^２以上の強度を有し、また厚み変動係数が１０未満であり、これら以外のセメント硬化体に比して、成形性及び強度に優れていることが確認された。

Claims (4)

1. セメント及びシリカフュームを含むセメント成分と、少なくとも細骨材を含有する骨材と、水と、を含み、
   単位水量が１２０ｋｇ／ｍ^３以下であり、前記セメント成分に対する水の割合が１６質量％以下であり、且つ、前記骨材全体の容積中の前記細骨材の容積の割合が４０％以上である、セメント材料。
2. 前記単位水量が１１０ｋｇ／ｍ^３以上である、請求項１記載のセメント材料。
3. 前記セメント成分に対する水の割合が１４質量％以上である、請求項１又は２記載のセメント材料。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のセメント材料を、遠心成形により成形して成形体を得る工程を含む、セメント硬化体の製造方法。
   
   

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