JP2015124092A

JP2015124092A - ポーラスコンクリート用混和材

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Publication number: JP2015124092A
Application number: JP2013267180A
Authority: JP
Inventors: 西川　善弘; Yoshihiro Nishikawa; 善弘西川; 信渡邉; Makoto Watanabe; 邦光彼谷; Kunimitsu Kaya
Original assignee: Unitika Ltd; University of Tsukuba NUC
Current assignee: Unitika Ltd; University of Tsukuba NUC
Priority date: 2013-12-25
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2015-07-06

Abstract

【課題】本発明の目的は、コンクリート施工部の保水性、耐久性および安全性に優れるポーラスコンクリート用混和材を提供することにある。
【解決手段】微細藻類由来バイオマスを含むポーラスコンクリート用混和材、好ましくは前記微細藻類がボトリオコッカス属であることを特徴とするポーラスコンクリート用混和材、さらに好ましくは前記微細藻類由来バイオマスがアルジナンであることを特徴とするポーラスコンクリート用混和材である。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細藻類由来バイオマスを含むポーラスコンクリート用混和材に関し、さらに詳しくは、ボトリオコッカス属の微細藻類から炭化水素類を抽出した後の残渣をポーラスコンクリート用混和材として再利用する技術に関する。

藻類が産生する炭化水素類はバイオ燃料として有望視され、産業化に向けた研究が進められている。藻類の中でもボトリオコッカス属の微細藻類は、重油相当の性質を持つ炭化水素を産生することから液体燃料を効率よく得られる藻類として注目されている。藻類から産生する炭化水素は、構造上の特徴より、Ｒａｃｅ−Ａ、Ｒａｃｅ−Ｂ、Ｒａｃｅ−ＬおよびＲａｃｅ−Ｓの大きく４つのグループに分けられ、なかでもＣ_ｎＨ_{２ｎ−１０}（ｎ＝３０〜３７）で表されるトリテルペン構造を持つ炭化水素を産生するＲａｃｅ−Ｂグループの株は、３０〜４０質量％の炭化水素を産生するものが多い（例えば、非特許文献１参照）。

ボトリオコッカス属の微細藻類は、成長の過程で数個〜数百個の個体の集合体（コロニー）を形成し、自身が産生した炭化水素類等の重合合成物であるバイオポリマー（アルジナン）によってコロニーの構造が維持されている。前述のようにして産生した炭化水素類は、このアルジナン中に３０〜４０質量％程度まで保持、蓄積される。このようにして蓄積した炭化水素類は溶媒抽出等の過程を経てバイオ燃料やバイオリファイナリーの原料として利用されるが、炭化水素類を除かれた大量の残渣は廃棄物となり、藻類由来バイオ燃料の産業化の足枷となっていた（例えば、非特許文献２参照）。

一方、従来から、粗骨材同士は接着するが空隙を埋めない程度のセメントを粗骨材に添加して、型枠等に流し固化させたポーラスコンクリートが提供されている。ポーラスコンクリートは、工場等であらかじめ製造（固化）したものを施工現場まで運搬して施工面に設置するため、運搬に多大な時間や費用が生じ、また複雑な形状の施工面の場合は、施工現場にて成形の作業が必要となる等、煩雑かつ熟練の作業を要するものであった（例えば、特許文献１参照。）。また、空隙に植物や微生物の生育が進むため、緑化促進等に利用されるが、植生等が期待しない場所で起こると、根がはるなどの影響によりクラックが生じる、表層が滑りやすくなり事故等の原因になる等、問題が生じていた（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−１２８４５３号公報特開２００６−２８２４１５号公報

Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌ．Ｃｕｌｔ．Ｃｏｌｌ．２６（１）．１−１０（２０１０）ｐ．４平成２３年度農山漁村６次産業化対策事業「農山漁村における藻類バイオマスファームの事業化可能性調査報告書」ｐ．７

本発明の目的は、コンクリート施工部の保水性、耐久性および安全性に優れるポーラスコンクリート用混和材を提供することにある。

本発明者らは、上記課題の解決のため鋭意研究を重ねた結果、微細藻類由来バイオマスがスポンジ様の空隙を有し、また、セメント中での分散性に優れ且つ微細藻類由来バイオマスの持つ多孔質構造が適度な保水性を有することを見出した。また、耐クラック性等、耐久性を高められることを見出し、本発明に到達した。

すなわち、本発明の要旨は以下の（１）〜（３）のとおりである。
（１）微細藻類由来バイオマスを含むポーラスコンクリート用混和材。
（２）微細藻類がボトリオコッカス属であることを特徴とする（１）記載のポーラスコンクリート用混和材。
（３）微細藻類由来バイオマスがアルジナンであることを特徴とする（１）または（２）記載のポーラスコンクリート用混和材。

本発明によれば、微細藻類由来バイオマスをポーラスコンクリート用混和材として利用することにより、適度な保水性を有したコンクリート舗装の施工が可能となり、また、耐クラック性等、耐久性を高めた施工を行うことができる。

各舗装における表面温度の変化を示すグラフである。凍結融解サイクル数に対する相対動弾性係数および質量減少率を示すグラフである。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明の微細藻類由来バイオマスは、主にバイオ燃料を産生する微細藻類由来のバイオマスをいい、具体的には、緑藻類、珪藻類由来のバイオマス等が挙げられる。さらに具体的には、Ｂｏｔｒｙｏｃｏｃｃｕｓｂｒａｕｎｉｉ，Ｃｈｌｏｒｅｌｌａｓｐ，Ｃｒｙｐｔｏｔｈｅｃｏｄｉｎｉｕｍｃｏｈｎｉｉ，Ｃｙｌｉｎｄｒｏｔｈｅｃａｓｐ．，Ｄｕｎａｌｉｅｌｌａｐｒｉｍｏｌｅｃｔａ，Ｉｓｏｃｈｒｙｓｉｓｓｐ．，Ｍｏｎａｌｌａｎｔｈｕｓｓａｌｉｎａ，Ｎａｎｎｏｃｈｌｏｒｉｓｓｐ．，Ｎａｎｎｏｃｈｌｏｒｏｐｓｉｓｓｐ．，Ｎｅｏｃｈｌｏｒｉｓｓｐ．，Ｎｅｏｃｈｌｏｒｉｓｏｌｅｏａｂｕｎｄａｎｓ，Ｎｉｔｚｓｃｈｉａｓｐ．，Ｐｈａｅｏｄａｃｔｙｌｕｍｔｒｉｃｏｒｎｕｔｕｍ，Ｓｃｈｉｚｏｃｈｙｔｒｉｕｍｓｐ．，Ｔｅｔｒａｓｅｌｍｉｓｓｕｉｅｉａなどの由来のバイオマスが挙げられる。

なかでも、重油相当の炭化水素類を産生するボトリオコッカス（Ｂｏｔｒｙｏｃｏｃｃｕｓ）属由来のバイオマスであることが好ましい。

微細藻類由来のバイオマスは、微細藻類自体又は微細藻類を乾燥したものであってもかまわないが、上記緑藻類、珪藻類などの微細藻類から有機溶媒により炭化水素類を抽出した後の抽出残渣であることが好ましく、前述のボトリオコッカス属微細藻類から有機溶媒により炭化水素類を抽出した後の抽出残渣、すなわち、アルジナンであることがより好ましい。

具体的には、上記微細藻類を、ヘキサン、クロロホルム、メタノール、エタノール、ジエチルエーテル、アセトンからなる１群の有機溶媒から１種以上、又はヘキサン／アセトンの混合溶媒、クロロホルム/メタノールの混合溶媒、エタノール／ジエチルエーテルの混合溶媒などに例示される前記有機溶媒の混合物に分散し、微細藻類中の炭化水素類を抽出することにより該抽出残渣を得ることができる。

さらには、セメント中での分散性を高めるために、上記炭化水素類の抽出後に、種々の水溶性成分の除去操作を経たバイオマスであることが特に好ましい。種々の水溶性成分の除去操作としては、酸処理、アルカリ処理、温熱水処理等が挙げられる。水溶性成分の除去操作に用いられる薬剤としては、塩酸、硫酸、トリクロロ酢酸等の酸類、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ類が挙げられる。また、温熱水処理の温度としては２０〜１１０℃が好ましく、２５〜８０℃がより好ましく、３０〜５０℃がいっそう好ましい。当該酸処理、アルカリ処理及び温熱水処理は、併用して行なうこともできる。

本発明の微細藻類由来のバイオマスは、熱安定性を高めるために、種々の溶媒可溶性成分の除去操作を経たものであることが好ましい。種々の溶媒可溶性成分の除去操作としては、浸漬、攪拌、還流、ソックスレー抽出処理等とそれに次ぐ遠心分離、濾過処理等が挙げられる。種々の溶媒可溶性成分の除去操作に用いられる溶媒としては、メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール類、クロロホルム、テトラクロロエタン等の含有ハロゲン溶媒類、酢酸エチル、メチルエチルケトン等の高極性溶媒類、トルエン、ヘキサン等の低極性溶媒類、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N-メチルピロリドン等の非プロトン性極性溶媒類等が挙げられ、これらのうちのいくつかを順次単独に、あるいは、混合溶媒として使用することもできる。

本発明の微細藻類由来バイオマスは、そのままポーラスコンクリート用混和材として用いることができるが、さらにセメント等と混合してもポーラスコンクリート用混和材として用いることができる。該微細藻類由来バイオマスをセメントと混合した後には、粉末状、扁平状のいずれの形状でも利用することができる。ここでいう粉末状は、粉砕機（カッター、ハンマー等）や各種ミル（石臼タイプ、乳鉢タイプ、ボールミル等）により粒径０．１〜５ｍｍ程度まで細かくしたものが挙げられ、扁平状は、粉末状のものを圧延し、厚さ０．０５〜１ｍｍ、長径０．１〜１０ｍｍのフレーク形状としたものが挙げられる。

本発明のポーラスコンクリート用混和材は、コンクリートに対し任意の量を添加して用いることができるが、例えば、コンクリート総容量に対し、微細藻類由来バイオマスを１〜１０ｋｇ／ｍ^３を添加することが好ましく、１〜５ｋｇ／ｍ^３を添加することがより好ましい。１〜１０ｋｇ／ｍ^３とすることにより、コンクリートとしての流動性を保ちながら、コンクリートの耐久性をいっそう高めることができる。

次に、実施例により、本発明をより詳細に説明する。なお、本発明は、実施例に限定されるものではない。

本発明の実施例、比較例における各種評価方法を以下に示す。

１．アルジナンの含有量（純度）
微細藻類中の炭化水素類（脂質等）を有機溶媒により抽出した抽出残渣に対し、示差熱熱重量同時測定装置（エスアイアイ・ナノテクノロジー（株）製、ＴＧ／ＤＴＡ７２００）を用い、以下の温度条件における４００℃以上での重量減少率より求めた。
＜測定条件＞
昇温度開始温度；２５℃
最終到達温度；８００℃
昇温速度；＋１０℃／分（なお、１００℃の時点で３０分維持する）
温度校正標準試料（インジウム（１５６．６℃）、亜鉛（４１９．４℃）

２．凍結融解試験
得られたコンクリートの凍結融解抵抗性の評価は、ＪＩＳＡ１１４８−２００１「コンクリートの凍結融解試験方法」に従って行なった。

実施例１
ボトリオコッカス属の微細藻類（乾燥品）１００ｇにヘキサン１Ｌを加え、室温下、２４時間静置して炭化水素類等を抽出した。該炭化水素類等を抽出した抽出残渣に対し、ヘキサンによる同様の抽出操作を２回（合計３回）繰り返した。得られた抽出残渣を風乾し、カッターミルで粉砕して、ポーラスコンクリート用混和材１（アルジナン粗精製物（純度５７％））７０gを得た。

実施例２
実施例１と同様にして得られたポーラスコンクリート用混和材１の７０ｇに、エタノール７０ｍＬ、イオン交換水７００ｍＬ加えた後、水酸化ナトリウム（ペレット）を攪拌しながらｐＨが１１以上となるまで添加し、３０℃の恒温環境下２４時間攪拌した。抽出残渣を回収し、イオン交換水で中性となるまで洗浄した後、イオン交換水７００ｍＬに再懸濁し６Ｎ塩酸を攪拌しながらｐＨが２以下となるまで添加し、３０℃の恒温環境下２４時間攪拌した。抽出残渣を回収し、イオン交換水で中性となるまで洗浄した。５０℃オーブン内で２４時間乾燥し、カッターミルで粉砕し、ポーラスコンクリート用混和材２（アルジナン粗精製物（純度７３％））５０ｇを得た。

実施例３
実施例２と同様にして得られたポーラスコンクリート用混和材２の５０ｇに、メタノール/クロロホルム=１：２（Ｖ／Ｖ）の混合溶媒５００ｍＬを加え、２４時間攪拌した。抽出残渣を回収し、同様の抽出操作をさらに２回（合計3回）繰り返した。得られた抽出残渣を回収し風乾した後、５０℃オーブン内で２４時間乾燥、カッターミルで粉砕し、ポーラスコンクリート用混和材３（アルジナン粗精製物（純度８０％））３０ｇを得た。

実施例４〜６
セメント１００質量部に対し、砕石（密度２．７ｇ／ｃｍ^３、吸水率０．６％）４００質量部、川砂（密度２．６ｇ／ｃｍ^３、吸水率１．４％）２００質量部をよく混和した後、さらに実施例１〜３と同様にして得られたポーラスコンクリート用混和材１〜３（実施例４はポーラスコンクリート用混和材１を、実施例５はポーラスコンクリート用混和材２を、実施例６はポーラスコンクリート用混和材３をそれぞれ用いた）をそれぞれ５ｋｇ／ｍ^３の添加量となるように添加しよく混和した後、水５５質量部を加え混練した後、深さ１０ｃｍ、縦横４０ｃｍの枠内に流し込み、均一にならした後、１週間放置し、固化させた。枠から外し、１０ｃｍ×１０ｃｍ×４０ｃｍの直方体を３本切り出し、２０℃で１４日間、水中養生し、供試体を得た。

比較例１
セメント１００質量部に対し、砕石（密度２．７ｇ／ｃｍ^３、吸水率０．６％）４００質量部、川砂（密度２．６ｇ／ｃｍ^３、吸水率１．４％）２００質量部をよく混和し、さらに水５５質量部を加え混練した後、深さ１０ｃｍ、縦横４０ｃｍの枠内に流し込み、均一にならした後、１週間放置し、固化させた。枠から外し、１０ｃｍ×１０ｃｍ×４０ｃｍの直方体を３本切り出し、２０℃で１４日間、水中養生し、供試体を得た。

＜表面温度経時変化＞
実施例４〜６、比較例１で得られた供試体を用い、一般的なアスファルト舗装面と対比しながら、表面温度の経時追跡をして、保水性の評価を行った。具体的には、国立大学法人筑波大学構内において、前記供試体表面及び一般的なアスファルト舗装面に、前夜より１２時間水道水を散布し、十分に保水させた状態で余剰の水分をふき取り、２０１３年７月８日午前１０時から午後３時までの日照による供試体等の中央部の表面温度の変化を１０分おきにモニタした。得られた結果を図１に示す。

図１に示すように、実施例４〜６のポーラスコンクリートからなる供試体は、比較例１及び一般的なアスファルト舗装面と比べ、表面温度の最大値が大幅に抑えられ、また表面温度の上昇の遅延も観られた。すなわち、本発明のポーラスコンクリート用混合材を用いて調製したポーラスコンクリートは、微細藻類由来バイオマスによる数ミクロン〜数１００ミクロンレベルの多孔質構造に基づいて優れた保水性を示すことが分かった。

＜凍結融解抵抗性＞
実施例４〜６及び比較例１にて得られた供試体を用い、前述の試験方法にて凍結融解抵抗性の評価を行なった。得られた結果を図２に示す。図２に示すように、本発明のポーラスコンクリート用混和材を含む実施例４〜６は、本発明のポーラスコンクリート用混和材を含まない比較例１に比べ、凍結融解サイクル数に対する相対動弾性係数が低下せず、さらには質量変化もほとんど観られないことが明らかとなった。以上より、本発明のポーラスコンクリート用混合材を用いて調製したコンクリートは、優れた耐久性を有していることが明らかとなった。

Claims

微細藻類由来バイオマスを含むポーラスコンクリート用混和材。
微細藻類がボトリオコッカス属であることを特徴とする請求項１記載のポーラスコンクリート用混和材。
微細藻類由来バイオマスがアルジナンであることを特徴とする請求項１または２記載のポーラスコンクリート用混和材。