JP2014094860A

JP2014094860A - コンクリートの製造方法、並びにコンクリート製造用細骨材の調製方法

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Publication number: JP2014094860A
Application number: JP2012247369A
Authority: JP
Inventors: Koji Kagawa; 浩司香川
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Engineering Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Engineering Co Ltd
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2032-11-09
Also published as: JP6218369B2

Abstract

【課題】銅スラグを細骨材の一部として混入させたコンクリートを製造するにあたり、細骨材に用いる天然細骨材の種類に依らず、容易に、所望とする乾燥収縮率となるコンクリートを製造する。
【解決手段】混入させる銅スラグの混入割合を算出して、銅スラグと天然細骨材とからなる細骨材を調製し、調製した細骨材と、水、セメント、粗骨材とを混練して混練物を得た後に養生硬化する。細骨材の調製においては、コンクリートの乾燥収縮率（μ）をεｃ、銅スラグの乾燥収縮率をεｃｕｓ、天然細骨材の乾燥収縮率をεｓ１、全細骨材量を１としたときの銅スラグ混入率をα、全骨材の体積に対する天然細骨材の体積比をＶａ１としたとき、下記関係式に基づいて銅スラグ混入率を算出する。
εｃ＝Ａ（εｃｕｓ−εｓ１）・α・Ｖａ１＋Ｂ（なお、Ａ及びＢは係数。）
【選択図】図６

Description

本発明は、コンクリートの製造方法、並びにコンクリート製造用銅スラグ細骨材の調製方法に関し、より詳しくは、細骨材の一部として銅スラグを用い、所望とする程度にまで乾燥収縮率を低減させたコンクリートの製造方法、並びにコンクリート製造用細骨材の調製方法に関する。

近年、コンクリートの過大な収縮が一因となって、その構造物に不具合が生じた事例が報告されており、また建築物においても住宅の品質確保法の施行以来、コンクリートの収縮を抑制する動きが促進されている。

コンクリートの過大な収縮に起因するひび割れは、構造物の耐久性を低下させるのみならず、雨漏れ等の漏水の原因にもなる。これを受けて、日本建築学会や土木学会では、コンクリートの乾燥収縮の規定値を見直すこととなった。

具体的には、日本建築学会では乾燥収縮の規定値を８００×１０^−６以下とし（ＪＡＳＳ５を参照。）、一方土木学会では乾燥収縮の規定値を１２００×１０^−６以下としており（コンクリート標準示方書を参照。）、これらの規定値を満足することによって、一般的な建築物においては有害なひび割れが発生しないレベルにほぼ制御できるとしている。

ところで、コンクリートの構成材料としては、主として、水とセメントからなるセメントペーストと、細骨材と、粗骨材である。従来より、その細骨材の一部として、高炉水砕スラグや精鋼スラグ等が使用されており（例えば特許文献１を参照。）、また銅スラグに関してもコンクリート用細骨材としてその使用がＪＩＳに規定されている。

また、その銅スラグに関しては、細骨材の一部として置換したコンクリートの性状について種々の検討がなされており、乾燥収縮率もその性状の一つとして評価されている（例えば、非特許文献１を参照。）。

しかしながら、細骨材の一部として銅スラグを混入させる場合において、製造するコンクリートの乾燥収縮率が所定の基準値（基準上限値）以下となるようにするために、細骨材中に具体的にどの程度の割合で銅スラグを混入させてコンクリートを製造すべきかについての検討はなされていない。また、銅スラグと共に細骨材を構成させる天然細骨材についても、その種類や産地によって乾燥収縮率が相違することが分かっており、そのような性状の異なる何れの天然細骨材を使用した場合でも適切に且つ簡易な方法で乾燥収縮率を制御することができるコンクリートの製造方法が望まれている。

特開２００２−１７９４５１号公報

石丸啓輔、水口裕之、橋本親典、上田隆雄、藤田和博、近江正明『銅スラグおよびII種フライアッシュを細骨材の一部に置換して用いたコンクリートの性状』「材料」（J. Soc. Mat. Sci., Japan）, Vol.54, No.8, pp.828-833, Aug.2005

そこで、本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、銅スラグを細骨材の一部として混入させたコンクリートを製造するにあたって、細骨材に使用する天然細骨材の種類に依存することなく、所定の基準上限値以下の乾燥収縮率となるコンクリートを適切に且つ簡易な方法で製造することができるコンクリートの製造方法、並びにコンクリート製造用細骨材の調製方法を提供する。

本発明者らは、上述した目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、細骨材の一部に銅スラグを用いて製造するコンクリートの乾燥収縮は、銅スラグの乾燥収縮率とその銅スラグを除いた細骨材である天然細骨材の乾燥収縮率との差、全細骨材中における銅スラグの混入率、及び全骨材中の天然細骨材の体積比に依存することを見出した。そして、その知見から、所望とする条件とするための銅スラグの混入率（添加量）を適切に且つ簡易に算出することができる所定の関係式を導出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、細骨材の一部として銅スラグを混入させたコンクリートの製造方法であって、混入させる銅スラグの混入割合を算出し、該銅スラグと天然細骨材とからなる細骨材を調製する細骨材調製工程と、上記細骨材調製工程にて調製した細骨材と、水、セメント、粗骨材とを混練して混練物を得る混練工程と、上記混練物を養生硬化する硬化工程とを有し、上記細骨材調製工程では、製造するコンクリートの乾燥収縮率（μ）をεｃ、銅スラグの乾燥収縮率をεｃｕｓ、天然細骨材の乾燥収縮率をεｓ１、全細骨材量を１としたときの銅スラグ混入率をα、全骨材の体積に対する天然細骨材の体積比をＶａ１としたときに、下記関係式に基づいて該銅スラグの混入率を算出することを特徴とする。
εｃ＝Ａ（εｃｕｓ−εｓ１）・α・Ｖａ１＋Ｂ
（なお、上記式中のＡ及びＢは、それぞれ係数である。）

また、本発明は、細骨材の一部として銅スラグを混入させたコンクリート製造用細骨材の調製方法であって、製造するコンクリートの乾燥収縮率（μ）をεｃ、銅スラグの乾燥収縮率をεｃｕｓ、天然細骨材の乾燥収縮率をεｓ１、全細骨材量を１としたときの銅スラグ混入率をα、全骨材の体積に対する天然細骨材の体積比をＶａ１としたときに、下記関係式に基づいて該銅スラグの混入率を算出し、該銅スラグと天然細骨材とからなる細骨材を調整することを特徴とする。
εｃ＝Ａ（εｃｕｓ−εｓ１）・α・Ｖａ１＋Ｂ
（なお、上記式中のＡ及びＢは、それぞれ係数である。）

本発明によれば、一部に銅スラグを混入させた細骨材を用いたコンクリートの製造において、銅スラグ以外の細骨材として使用する天然細骨材の種類にかかわらず、所望とする乾燥収縮率となるコンクリートを適切に且つ簡易に製造することができる。

コンクリートの乾燥収縮のメカニズムについて説明する図である。銅スラグ（ＣＵＳ２．５（２．５ｍｍ〜１．２ｍｍ））の粒子表面のＳＥＭ像（Ａ）と、砂岩砕砂の粒子表面のＳＥＭ像（Ｂ）である。銅スラグ（ＣＵＳ２．５）の混入率を０％、２０％、３０％、４０％とした４つのコンクリートサンプルについての、材齢（乾燥期間）に対する乾燥収縮率の関係を示すグラフ図である。銅スラグ（ＣＵＳ２．５）の混入率を０％、２０％、３０％、４０％とした４つのコンクリートサンプルについての、材齢（乾燥期間）に対する質量減少率の関係を示すグラフ図である。平均吸水率に対する乾燥収縮率の関係を示すグラフ図である。細骨材中の銅スラグ混入率に対するコンクリートの乾燥収縮率の関係を示すグラフ図である。コンクリートの製造方法の工程図である。

以下、本発明に係るコンクリートの製造方法の具体的な実施の形態（以下、本実施の形態という。）について、図面を参照しながら以下の順序で詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で変更が可能である。
１．銅スラグ細骨材について
１−１．銅スラグ細骨材による乾燥収縮率の低減作用
１−２．コンクリート製造用細骨材の調製方法
２．コンクリートの製造方法

＜１．銅スラグ細骨材について＞
本実施の形態に係るコンクリートの製造方法は、そのコンクリートの構成材料として、銅スラグ（ＣＵＳ）を細骨材の一部として所定の割合で混入させて製造するものである。このように、細骨材の一部に銅スラグを混入させることによって、コンクリートの乾燥収縮率を低減させることができる。

先ず、このコンクリートの製造方法についての詳細な説明に先立ち、銅スラグ細骨材によるコンクリートの乾燥収縮率の低減作用、並びにそのコンクリート製造用細骨材の調製方法について説明する。

＜１−１．銅スラグ細骨材による乾燥収縮率の低減作用＞
図１は、コンクリートの乾燥収縮のメカニズムについて説明するための図である。コンクリートの構成材料は、主として、水とセメントからなるセメントペーストと、細骨材、粗骨材の骨材とからなる。

コンクリートの製造過程においては、これらの材料を混練して硬化させると、そのセメントペーストに含まれている水分を用いた水和反応が生じる。このとき、水和反応に使用された水分以外の水分（水和反応に使用されなかった余剰水分）は、乾燥環境下でコンクリート中から逸散し、その結果、逸散した水分が存在していた箇所が空隙となる。図１に示すように、元々コンクリートは、その物性上、セメントペーストに基づいて収縮する力が大きい。そのため、コンクリート中から水分が逸散することで空隙が生じると、その空隙を埋めようとする力が働き、その結果としてコンクリートの収縮作用が進行する。

このことから、コンクリートの乾燥収縮は、コンクリートを製造するための構成材料から持ち込まれる水分量に比例して大きくなると考えられる。

ここで、表１に、従来細骨材として用いられている砂岩砕砂と、細骨材としての使用がＪＩＳに規定されている銅スラグ（ＣＵＳ２．５）の吸水率を測定した結果を示す。この表１に示すように、銅スラグ細骨材の吸水率は、従来の骨材に比して約１／４以下と非常に少ない。なお、銅スラグの粒度による吸水率の補足検討を実施したところ、どの粒度範囲でも吸水率は略一定であることが確認されている。

このような骨材の種類による吸水率の相違は、その粒子の表面形状に基づくものと推測される。図２は、銅スラグ（ＣＵＳ２．５（２．５ｍｍ〜１．２ｍｍ））の粒子表面のＳＥＭ像（図２（Ａ））と、砂岩砕砂の粒子表面のＳＥＭ像（図２（Ｂ））である。図２のそれぞれのＳＥＭ像に示されるように、砂岩砕砂の表面形状には凹凸があり、その凹凸を介して水分が保持され易くなっているのに対して、銅スラグの表面形状は非常に平滑であって、水分が保持され難いことが分かる。

したがって、これらのことから、細骨材の一部として銅スラグを混入（あるいは一部を銅スラグに置換）させた場合には、コンクリート中に持ち込まれる水分量を低下させることができ、それによりコンクリート中の余剰水分が減少するため、その余剰水分の逸散により発生する空隙形成が抑制され、コンクリートの乾燥収縮を低減させることができると考えられる。

図３は、実際に、細骨材の一部として銅スラグ（ＣＵＳ２．５）を、その混入率が０％、２０％、３０％、４０％となるように混入させて作製した４つのコンクリートサンプルを用意し、その各サンプルについて、材齢（乾燥期間）に対する乾燥収縮率の関係について具体的に実験した結果のグラフである。

なお、この実験例においては、細骨材として、愛媛県東予地方西部地区で産出される砂岩砕砂（表乾密度：２．５８ｇ／ｃｍ^３、吸水率：１．７７％、粗粒率：２．７３、乾燥収縮率：４０３μ）に、銅精錬工場で発生した銅スラグ細骨材（細骨材寸法２．５ｍｍ以下、表乾密度：３．４４ｇ／ｃｍ^３、吸水率：２．１６％、粗粒率：７．０３、乾燥収縮率：６４μ）を、上述の４パターンの混入率で混入させたものを用いた。また、コンクリートは、普通ポルトランドセメントを用い、水セメント比を５０％として、建築用配合（普通−３０−１８−２０−Ｎ）で製造した。また、全骨材体積に対する細骨材体積の比率である細骨材率（ｓ／ａ）は４８．５％とした。

この図３から分かるように、何れのサンプルにおいても、乾燥期間が長くなるほど乾燥収縮は大きくなるが、銅スラグを混入させることによって、乾燥収縮率の規定値をほぼ維持できるようになることが分かる。

また、図４は、細骨材中における銅スラグ（ＣＵＳ２．５）の混入率を０％、２０％、３０％、４０％とした４つのコンクリートサンプルについて、材齢（乾燥期間）に対する質量減少率の関係について実験した結果のグラフである。なお、この具体的な実験における条件は、図３に結果を示した実験条件と同じである。

この図４から分かるように、何れのサンプルにおいても、乾燥期間が長くなるほど質量は減少していくが、銅スラグを混入させることによって、その質量減少率が低下することが分かる。このことは、つまり、吸水率の少ない銅スラグを細骨材中に混入させることによって水分の持ち込み量を低減させることができ、逸散する余剰水分が少なくなったため、質量の減少も少なくなったと言える。

このように、細骨材の一部として銅スラグを混入させ、またその混入率を高めていくことによって、コンクリートの乾燥収縮率と質量変化率は小さくなることが分かる。

そこで、コンクリート中の水分量に着目し、砕石（粗骨材）、砕砂（細骨材）、銅スラグ細骨材の骨材全体の吸水率を「平均吸収率（ρ_ａｖｅ）」とし、図３及び図４で示した実験における材齢（乾燥期間）２６週での結果をまとめると、下記表２に示すようになる。また、図５は、これらの結果に基づいて作成した、平均吸水率に対する乾燥収縮率の関係を示すグラフである。

なお、平均吸収率（ρ_ａｖｅ）は、下記式（Ｉ）で算出される。なお、式（Ｉ）において、「ρ_ａｖｅ」は平均吸水率、「ρ_ｎ」は各骨材の吸水率、「Ｖ_ｎ」は各骨材の容積、「Ｖ」は全骨材の容積であり、各骨材の吸水率（ρ_ｎ）、各骨材の容積（Ｖ_ｎ）、全骨材の容積（Ｖ）は、既知の値である。
ρ_ａｖｅ＝Σρ_ｎ（Ｖ_ｎ／Ｖ）・・・（Ｉ）

表２及び図５に示されるように、骨材全体の吸水率である平均吸水率が減少するにつれてコンクリートの乾燥収縮率が低下することが分かる。そして、これは、コンクリート中における銅スラグの混入率に相関があり、混入率を多くするとコンクリートの平均吸水率は小さくなり、乾燥収縮率も小さくなることが分かる。

以上のように、銅スラグはその吸水率が低く、この銅スラグを細骨材の一部として用いた場合、コンクリートの硬化反応に必要な水分以上の余剰な水分を持ち込まないという性質を有する。そのため、硬化したコンクリート中の余剰水分が少ないことにより、逸散する水分量が低減し、従来用いられてきた天然細骨材（砂岩砕砂等）のみを細骨材として構成させたコンクリートとは異なり、その乾燥収縮が極めて小さくなる。そしてまた、細骨材の一部として混入させる銅スラグの混入率を多くするほど、コンクリート中の天然細骨材の量が銅スラグに置き換わって少なくなり、その結果、コンクリート中の持ち込み水分量がさらに減少して骨材の乾燥収縮量がより少なくなるため、総合的にコンクリートの乾燥収縮率をより一層に低減させることができる。

＜１−２．コンクリート製造用細骨材の調製方法＞
［コンクリートの乾燥収縮率と銅スラグ混入率との関係式の導出］
ところで、上述したように、銅スラグ以外の細骨材としては、従来より砂岩砕砂等の天然骨材（天然細骨材）が使用されている。しかしながら、その天然細骨材は、その使用する天然細骨材の種類や産出される地域によって、その性質が異なり、またその天然細骨材自体の乾燥収縮率も異なる。したがって、細骨材の一部として一定量の銅スラグを混入させてコンクリートの乾燥収縮率を低減させようとした場合でも、銅スラグと共に用いる天然細骨材の種類によって、発現する乾燥収縮効果も異なる。そのため、コンクリートの製造にあたり、所望とする乾燥収縮効果（乾燥収縮率）を実現するためには、使用する天然細骨材の種類等に応じて、細骨材の一部として用いる銅スラグの添加量を適切に且つ簡易に調整することが求められる。

また、一般的な構造物に関する乾燥収縮率の基準値（基準上限値）は規定されているものの、例えば、より高い強度や耐久性が求められる構造物に関しては、その高強度性、高耐久性を満足するための乾燥収縮率の値以下となるように、細骨材における銅スラグの混入率を調整してコンクリートを製造することが求められる。

さらに、従来では、乾燥収縮率を低減させるためにコンクリート中の水分を減らす減水剤等の薬剤を添加していたが、その薬剤は非常に高価なものである。そのため、減水剤等の薬剤の使用を必要最低限度に抑えるようにするためにも、添加する銅スラグの量を適切に調整することによって、コンクリートの製造コストを低減させることが求められる。

そこで、何れの種類の天然細骨材を細骨材として使用する場合であっても、乾燥収縮率が所定の基準上限値以下となるコンクリートを容易に製造することを可能にするために、細骨材の一部として混入させる銅スラグの割合を適切に且つ容易に算出できるようにし、その混入率から銅スラグの添加量を決定することが望まれる。また、その銅スラグの適切な混入率から、使用する天然細骨材の使用量を的確に把握し、無駄のない効率的なコンクリート製造を実現することが望まれる。

ここで、上記表２でまとめたように、細骨材の一部として銅スラグを混入させたコンクリートでは、その銅スラグ混入率を高めるにつれて乾燥収縮率が低減する。そして、この表２に基づいて、銅スラグ混入率に対するコンクリートの乾燥収縮率の関係をグラフにすると、図６に示す関係が導き出される。なお、この表２及び図６に示す内容は、上述したように、天然細骨材として愛媛県東予地方西部地区で産出される砂岩砕砂を用いた場合を一具体的実験例としたときの結果を示すものである。

すなわち、図６に示すように、銅スラグの混入率（％）とコンクリートの乾燥収縮率（μ）とは比例関係が成立している。このことから、本発明者は、製造するコンクリートの乾燥収縮に関しては、“銅スラグの乾燥収縮率とその銅スラグを除いた細骨材である天然細骨材の乾燥収縮率との差、全細骨材中における銅スラグの混入率、及び細骨材を構成する天然細骨材の体積比に依存する”という知見を見出した。

そして、この図６の結果グラフと上述した知見に基づくと、下記関係式（II）を導き出すことができる。
εｃ＝Ａ（εｃｕｓ−εｓ１）・α・Ｖａ１＋Ｂ・・・（II）

この関係式（II）中において、「εｃ」はコンクリートの乾燥収縮率、「εｃｕｓ」は細骨材中に混入させた銅スラグの乾燥収縮率、「εｓ１」は銅スラグを除いた細骨材である天然細骨材の乾燥収縮率、「α」は全細骨材量を１としたときの銅スラグの混入率、「Ｖａ１」は全骨材（粗骨材＋細骨材）の体積に対する天然細骨材の体積比を示し、「Ａ」及び「Ｂ」はそれぞれ使用する天然細骨材の種類に応じて異なる係数である。

したがって、上記関係式（II）を用いることにより、所望とするコンクリートの乾燥収縮率に対して、細骨材の一部として添加させるべき銅スラグの量を適切に且つ簡易に求めることができる。つまり、所望とする乾燥収縮率となるコンクリートを製造するにあたって、銅スラグの添加量、並びに天然細骨材の量を的確に算出することができる。

また、所望とする乾燥収縮率となるように銅スラグの添加量を的確に算出することができるので、例えば減水剤等の薬剤を使用する場合においても、経験等による勘に頼ることなく、必要最小限の薬剤を的確に使用することができるようになり、製造コスト等を効果的に減少させることができる。

［関係式における係数の決定（天然細骨材として砂岩砕砂を用いた場合を例として）］
ここで、上記関係式（II）において、「Ａ」及び「Ｂ」は、使用する天然細骨材の種類によって異なる係数である。したがって、使用する天然細骨材毎に、予め係数「Ａ」及び「Ｂ」をそれぞれ算出しておくことで、その他の既知の値である乾燥収縮率等を当該式（II）に代入することにより、容易に銅スラグの混入率を算出することができる。

具体的に、上述した一具体的実験例においても使用した、愛媛県東予地方西部地区で産出される砂岩砕砂を天然細骨材として用いた場合を例に挙げる。上述したように、この砂岩砕砂を天然細骨材として用いた場合において、その銅スラグの混入率に対するコンクリートの乾燥収縮率の関係は、上記表２に示す結果となり、この結果に基づく回帰グラフが図６に示すグラフになる。ここで、先ず、銅スラグ混入率が０％の場合（ｘ＝０）について、回帰式（ｙ＝−581.43ｘ＋980.57）に代入すると、コンクリートの乾燥収縮率は９８１となる。このことから、上記関係式（II）において係数「Ｂ」（ｙ切片の値）はＢ＝９８１となり、以下の関係式（II’）が導き出される。
εｃ＝Ａ（εｃｕｓ−εｓ１）・α・Ｖａ１＋９８１・・・（II’）

次に、銅スラグ混入率が４０％の場合（ｘ＝０．４）について、回帰式（ｙ＝−581.43ｘ＋980.57）に代入すると、コンクリートの乾燥収縮率は７４８となる。上記関係式（II’）において、「α」は全細骨材量を１としたときの銅スラグ混入率であることから、銅スラグ混入率が４０％（α＝０．４）の場合のコンクリートの乾燥収縮率７４８を代入すると、７４８＝Ａ（εｃｕｓ−εｓ１）・Ｖａ１・０．４＋９８１となる。このことから、Ａ（εｃｕｓ−εｓ１）・Ｖａ１＝−５８２．５が導き出される。

ここで、上述の実験において使用した銅スラグの乾燥収縮率（εｃｕｓ）は６４μであり、天然細骨材（砂岩砕砂）の乾燥収縮率（εｓ１）は４０３μである。また、「Ｖａ１」は全骨材（粗骨材＋細骨材）中の天然細骨材の体積比を表し、このコンクリートの製造においては細骨材率（ｓ／ａ）を４８．５％と設定している。このことから、銅スラグ混入率が４０％の場合においては、全骨材中の天然細骨材の体積比はＶａ１＝０．２２３となる。そして、これらの既知の値をＡ（εｃｕｓ−εｓ１）・Ｖａ１＝−５８２．５に代入すると、係数Ａ＝７．７を得ることができる。

したがって、以上のことから、天然細骨材として愛媛県東予地方西部地区で産出される砂岩砕砂を用い、その全細骨材の一部に銅スラグを混入させて得られるコンクリートの乾燥収縮率に関しては、下記の関係式（III）を導き出すことができる。
εｃ＝７．７（εｃｕｓ−εｓ１）・α・Ｖａ１＋９８１・・・（III）

なお、上記関係式（III）において、天然細骨材である砂岩砕砂の乾燥収縮率や銅スラグの乾燥収縮率は、それぞれ既知の値である。

また、全骨材（粗骨材＋細骨材）中における天然細骨材の体積比「Ｖａ１」についても、コンクリート製造に際して決定する細骨材率（ｓ／ａ）に基づいて銅スラグ混入率αとの関係で導くことができる。すなわち、細骨材率（ｓ／ａ）とは、全骨材（細骨材＋粗骨材）体積（ａ）に対する細骨材体積（ｓ）の比率であり、粗骨材の体積を「ｇ」とすると細骨材率（ｓ／ａ）＝ｓ／ｓ＋ｇとなる。この細骨材率（ｓ／ａ）は、一般的には４０〜５０％の範囲となる。そして、細骨材を構成する天然細骨材の全骨材中における体積比を「Ｖａ１」としたとき、銅スラグ混入率αとの関係では、以下の式が導かれる。
Ｖａ１＝（１−α）×{（ｓ／ａ）／１００}×０．６５７（定数）
したがって、全骨材中における天然細骨材の体積比「Ｖａ１」は、コンクリートの製造にあたって適宜設定する細骨材率（ｓ／ａ）の値と銅スラグ混入率αに基づく式に変換することができる。

このように、例えば砂岩砕砂を天然細骨材として用いる場合においては、上記関係式（III）を用いることによって、所望とするコンクリートの乾燥収縮率に対して、細骨材の一部として添加させるべき銅スラグの量を適切に且つ簡易に求めることができる。

［関係式に基づく最適な銅スラグ混入率（添加量）の決定についての検証］
具体的に、天然細骨材として砂岩砕砂を用いる場合において、上記関係式（III）に基づいた最適な銅スラグ混入率の決定について検証する。なお、この検証においては、水セメント比を５０％とし、細骨材率（ｓ／ａ）を４８．５％と設定して、コンクリートを製造する場合について考えることとする。

例えば、製造するコンクリートの乾燥収縮率（εｃ）（すなわち、所望とする乾燥収縮率）を規定値である８００μ以下にしようとした場合、そのεｃ＝８００μという乾燥収縮率の値と、細骨材として使用する銅スラグの乾燥収縮率（εｃｕｓ）、及び天然細骨材（砂岩砕砂）の乾燥収縮率（εｓ１）の各値を上記関係式（III）に代入する。すなわち、銅スラグの乾燥収縮率は６４μであり、砂岩砕砂の乾燥収縮率は４０３μであることから、上記関係式（III）により、α・Ｖａ１＝０．０６９が導き出される。そして、細骨材率（ｓ／ａ）４８．５％としてコンクリートを製造することから、α・Ｖａ１＝０．０６９に基づき、α≒０．３１（銅スラグの混入率（約３１％））と算出することができる。

したがって、このことから、細骨材中に銅スラグを約３１％以上の割合で添加することによって、コンクリートの乾燥収縮率を８００μ以下にすることが可能になるという結果を得ることができる。

また、このようにして銅スラグの混入率を算出できることにより、乾燥収縮の低減のために減水剤等の薬剤を一部に用いる場合においても、その銅スラグの混入率を制御することによって乾燥収縮率を予測することができるので、その混入率から必要最低限の薬剤の添加量を求めることができ、高価な薬剤の無駄を防止して、効率的に高い経済性でもってコンクリートを製造することができる。

［他の天然細骨材を使用する場合について］
上述の説明においては、天然細骨材として愛媛県東予地方西部地区で産出される砂岩砕砂を用いた場合を例に挙げて関係式を導出し、また銅スラグ混入率の算出検証を行った。上述した関係式（II）『εｃ＝Ａ（εｃｕｓ−εｓ１）・α・Ｖａ１＋Ｂ』は、もちろん砂岩砕砂を天然細骨材として使用する場合に限定される関係式ではなく、他の天然細骨材を使用する場合においても適用することができる。すなわち、それぞれの天然細骨材毎に上記関係式（II）における係数「Ａ」，「Ｂ」を予め求めておくことによって、天然細骨材の種類毎に銅スラグの混入率とコンクリートの乾燥収縮率との関係を示すことができ、上述した具体例のように所望とする乾燥収縮率とするために適切な銅スラグ混入率を算出することが可能となる。

それぞれの天然細骨材の種類毎の係数「Ａ」，「Ｂ」の算出においては、上述した砂岩砕砂の例のように、複数の銅スラグ混入率におけるコンクリートの乾燥収縮率を実験的に求め、図６のような回帰グラフを導出することによって算出することができる。例えば、少なくとも銅スラグ混入率０％の場合と４０％の場合におけるコンクリートの乾燥収縮率を実験的に求めて回帰グラフを導出することによって算出することができる。これにより、例えば砂岩砕砂を用いた場合における関係式（III）のような関係式を、使用する天然細骨材の種類毎に導出することができる。なお、使用する天然細骨材自体の乾燥収縮率は、既知の値である。

また、産出される地域によって若干の性質の違いはあるものの、天然細骨材の種類が同じであれば、ほぼ同じ関係式を使用することができる。なお、同一の種類の天然細骨材であっても、産出される地域毎に関係式を導出しておくことによって、より高い精度で所望とするコンクリートの乾燥収縮率となるようにするための銅スラグ混入率を算出することができ、より好ましい。

＜２．コンクリートの製造方法＞
本実施の形態に係るコンクリートの製造方法は、銅スラグを細骨材の一部として所定量混入させて製造するものである。この製造方法では、上述した関係式（II）を用いることにより、細骨材の一部に混入させる銅スラグの量を適切に且つ簡易に算出することができ、所望とする乾燥収縮率の規定上限値以下となるコンクリートの製造を可能にする。

具体的に、本実施の形態に係るコンクリートの製造方法は、図７の工程図に示すように、細骨材の一部に混入させる銅スラグの混入割合を算出し、その銅スラグと天然細骨材とからなる細骨材を調製する細骨材調製工程Ｓ１と、コンクリートの構成材料を混錬して混練物を得る混練工程Ｓ２と、得られた混練物を養生硬化する硬化工程Ｓ３とを有する。

（細骨材調製工程）
細骨材調製工程Ｓ１では、細骨材の一部として混入させる銅スラグの割合を算出し、その銅スラグと天然細骨材とからなる細骨材を調製する。この細骨材調製工程Ｓ１では、製造するコンクリートの乾燥収縮率が所定の基準上限値以下となるようにするため、すなわち所望とする乾燥収縮率のコンクリートを製造するための、細骨材中の銅スラグ混入率を算出する。

このとき、本実施の形態においては、コンクリートの乾燥収縮率（μ）をεｃ、銅スラグの乾燥収縮率をεｃｕｓ、銅スラグ以外の細骨材である天然細骨材の乾燥収縮率をεｓ１、全細骨材量を１としたときの銅スラグ混入率をα、全骨材（粗骨材＋細骨材）の体積に対する天然細骨材の体積比をＶａ１としたときに、下記関係式（II）に基づいて細骨材中の銅スラグ混入率を算出する。
εｃ＝Ａ（εｃｕｓ−εｓ１）・α・Ｖａ１＋Ｂ・・・（II）

ここで、細骨材の一部に用いる銅スラグとしては、特に限定されるものではなく、一般的な銅の精錬処理等によって発生するものを用いることができる。また、そのスラグ径（粒径）についても、特に限定されるものではないが、細骨材中の混入率（天然細骨材との置換率）が大きくなるほど、スラグの粒径が小さい方が抑制ひずみ量は大きくなる。そのため、扱い易さ等の点も考慮して、粒径が約２．５ｍｍ以下である銅スラグを用いることが好ましい。

また、銅スラグと共に細骨材を構成する天然細骨材としては、特に限定されるものではなく、例えば、砂岩砕砂や石灰砕砂等の砕砂、軽量細骨材（メラサイト砂）、山砂、陸砂等を用いることができる。

なお、上記関係式（II）における係数「Ａ」，「Ｂ」は、使用する天然細骨材の種類により異なる。したがって、上述したように、天然細骨材の種類毎に各係数を予め求めて関係式を導出し、それに基づいて銅スラグ混入率を算出する。具体的に、例えば天然細骨材として愛媛県東予地方西部地区で産出される砂岩砕砂を用い、その細骨材の一部に銅スラグを混入させて得られるコンクリートの乾燥収縮率に関しては、上述したように、下記の関係式（III）を導き出すことができ、これにより銅スラグ混入率（α）を算出する。
εｃ＝７．７（εｃｕｓ−εｓ１）・α・Ｖａ１＋９８１・・・（III）

上述した細骨材を構成する銅スラグ及び天然細骨材は、それぞれ所定の乾燥収縮率を有している。そのため、使用する銅スラグ、天然細骨材の乾燥収縮率を予め測定しておき、その値を関係式（例えば天然細骨材として砂岩砕砂を用いる場合には上記関係式（III））に代入することで、製造するコンクリートの乾燥収縮率を所定の基準上限値以下（所望とする乾燥収縮率以下）となるようにするための銅スラグ混入率を、適切に且つ簡易に算出することができる。

（混練工程）
混練工程Ｓ２では、細骨材調製工程Ｓ１にて調製した細骨材と、コンクリートの構成材料である、水、セメント、粗骨材とを混錬して混練物を得る。

セメントとしては、特に限定されるものではなく、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、白色ポルトランドセメントなどのポルトランドセメント、高炉セメント、シリカセメント、フライアッシュセメントなどの混合セメント、アルミナセメントなどの特殊セメント等を用いることができる。

また、水とセメントとの混合割合（水セメント比）についても、特に限定されるものではなく、コンクリートを製造するにあって適宜決定することができ、例えば５０％程度とすることができる。

粗骨材としては、特に限定されるものではなく、一般的に使用されている、例えば砂利、砂石等を用いることができる。

また、全骨材（細骨材及び粗骨材）体積に対する細骨材体積の比率である細骨材率（ｓ／ａ）についても、特に限定されるものではなく、コンクリートを製造するにあって適宜決定することができ、一般的には４０〜５０％の範囲となる。

これらのコンクート構成材料を混練する方法についても、特に限定されるものではなく、周知の方法により混練することができる。具体的には、例えば、水平二軸形強制練りミキサ等のミキサ内で行うことができ、水と、セメントと、銅スラグと天然細骨材とからなる細骨材と、粗骨材とを、それぞれミキサ内に投入して約３０秒間撹拌し、続いて、必要に応じて混和剤や減水剤等の薬剤を含む水をミキサ内に投入して約９０秒間撹拌する。

（硬化工程）
硬化工程Ｓ３では、混練工程Ｓ２にて得られた混練物を養生硬化することによってコンクリートを得る。

具体的に、硬化工程Ｓ３では、混練物を目的に応じて所定の形に成形し、水和反応を進行させて養生硬化させる。ここで、養生とは、適当な温度と湿度を確保し、乾燥や凍結等の外力が加わらないように保護するこという。本実施の形態においては、細骨材の一部として適切な割合で銅スラグが混入されているので、コンクリート内への持ち込み水分量が少なく、養生硬化に際して逸散する水分が低減されている。そのため、そのコンクリートの乾燥収縮率を、所定の基準上限値以下に適切に制御することができる。

養生方法としては、成形したコンクリートを水中に浸漬する方法や、散水する方法、濡れたマット等で覆う方法が挙げられ、硬化促進のため、蒸気養生や高温高圧で養生するオートクレーブ養生等を行ってもよい。また、養生硬化の処理時間についても、特に限定されず、目的とするコンクリート強度に応じて適宜設定することができる。

以上のように、本実施の形態に係るコンクリートの製造方法では、製造するコンクリートの乾燥収縮率が所定の基準上限値以下となるように、細骨材の一部として混入させる銅スラグの混入率を、上述した関係式（II）に基づいて算出する。この関係式（II）によれば、使用する銅スラグや天然細骨材の既知の乾燥収縮率から、簡易に、細骨材中に混入させるべき適切な銅スラグの混入率を算出することができる。

したがって、使用する天然細骨材の種類に依存することなく、適切な銅スラグ混入率を算出することができる。また、一般的な構造物だけでなく、より高い強度や耐久性が求められる構造物についても、その強度や耐久性を実現することができる乾燥収縮率となるようなコンクリートを、容易に且つ適切に製造することができる。

Claims

細骨材の一部として銅スラグを混入させたコンクリートの製造方法であって、
混入させる銅スラグの混入割合を算出し、該銅スラグと天然細骨材とからなる細骨材を調製する細骨材調製工程と、
上記細骨材調製工程にて調製した細骨材と、水、セメント、粗骨材とを混練して混練物を得る混練工程と、
上記混練物を養生硬化する硬化工程とを有し、
上記細骨材調製工程では、製造するコンクリートの乾燥収縮率（μ）をεｃ、銅スラグの乾燥収縮率をεｃｕｓ、天然細骨材の乾燥収縮率をεｓ１、全細骨材量を１としたときの銅スラグ混入率をα、全骨材の体積に対する天然細骨材の体積比をＶａ１としたときに、下記関係式に基づいて該銅スラグの混入率を算出することを特徴とするコンクリートの製造方法。
εｃ＝Ａ（εｃｕｓ−εｓ１）・α・Ｖａ１＋Ｂ
（なお、上記式中のＡ及びＢは、それぞれ係数である。）
上記銅スラグの粒径が２．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のコンクリートの製造方法。
上記水とセメントの割合（水セメント比）が５０％であることを特徴とする請求項１又は２記載のコンクリートの製造方法。
上記天然細骨材は、砂岩砕砂であり、下記関係式に基づいて上記銅スラグの混入率を算出することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載のコンクリートの製造方法。
εｃ＝７．７（εｃｕｓ−εｓ１）・α・Ｖａ１＋９８１
上記天然細骨材は、愛媛県東予地方西部地区で産出される砂岩砕砂であることを特徴とする請求項４記載のコンクリートの製造方法。
細骨材の一部として銅スラグを混入させたコンクリート製造用細骨材の調製方法であって、
製造するコンクリートの乾燥収縮率（μ）をεｃ、銅スラグの乾燥収縮率をεｃｕｓ、天然細骨材の乾燥収縮率をεｓ１、全細骨材量を１としたときの銅スラグ混入率をα、全骨材の体積に対する天然細骨材の体積比をＶａ１としたときに、下記関係式に基づいて該銅スラグの混入率を算出し、該銅スラグと天然細骨材とからなる細骨材を調整することを特徴とするコンクリート製造用細骨材の調製方法。
εｃ＝Ａ（εｃｕｓ−εｓ１）・α・Ｖａ１＋Ｂ
（なお、上記式中のＡ及びＢは、それぞれ係数である。）