JP2017075071A

JP2017075071A - セメント組成物、及び、セメント硬化体

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Publication number: JP2017075071A
Application number: JP2015203514A
Authority: JP
Inventors: 幸子林口; Sachiko Hayashiguchi; 哲夫小林; Tetsuo Kobayashi; 直中馬; Sunao Chuma
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd; Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2017-04-20
Anticipated expiration: 2035-10-15
Also published as: JP6564674B2

Abstract

【課題】二次精錬スラグをコンクリート材料として十分に有効利用することが可能なセメント組成物等を提供する。【解決手段】セメントと、細骨材と、水とを含有し、前記細骨材が、二次精錬スラグと砂とを含有してなるセメント組成物。【選択図】なし

Description

本発明は、セメント組成物、及び、セメント硬化体に関する。

従来、製鋼スラグがコンクリート材料として用いられている。製鋼スラグは、溶銑、スクラップ等を精錬し鋼を製造する際に生成するものであり、精錬炉の種類により、転炉スラグや電気炉スラグに大別される。また、製鋼スラグには、これらの他、溶銑予備処理スラグや二次精錬スラグ等も含まれる。

溶銑予備処理スラグは、溶銑を転炉に装入する前に予備処理として溶銑の脱硫、脱珪、脱燐等の処理をする際に生成するスラグの総称であり、予備処理の内容により、該生成するスラグは、脱硫スラグ、脱珪スラグ、脱燐スラグ等と呼ばれる。

一方、転炉等から出鋼した溶鋼に脱硫、脱燐、脱ガス等の再度の精錬処理（二次精錬）をする場合があり、二次精錬スラグは、その際に生成するスラグの総称である。

しかし、かかる二次精錬スラグは、転炉スラグや電気炉スラグよりも発生量が少ないものの、近年、鋼材への品質要求の厳しさが増すのに伴って、その発生量が増加しており、二次精錬スラグの有効利用が求められている。

そこで、二次精錬スラグの有効利用する技術が提案されている。
例えば、ポゾラン反応性等の潜在的水硬性を有するＳｉＯ_２と、二次精錬スラグと、水とを混練し、所定の圧力下で成形して製造された製鋼スラグ硬化体が提案されている。かかる製鋼スラグ硬化体によれば、従来、転炉スラグや電気炉スラグと比較して、コンクリート材料の骨材として利用するとモルタルの粘性が高くなり過ぎるといった理由から、骨材として適さないとされていた二次精錬スラグを、硬化体とすることでき、これにより、二次精錬スラグの有効利用が可能となる。

特許第３６８７４４４号公報

しかし、上記特許文献１の技術では、二次精錬スラグを利用すること自体は可能であるものの、圧縮成型体を形成する必要があるため、その適用範囲が限られ、二次精錬スラグを十分に有効利用しているとはいい難い。

一方、二次精錬スラグをコンクリート材料として用いることができれば、より幅広く、二次精錬スラグを有効利用することが可能となる。

上記事情に鑑み、本発明は、二次精錬スラグをコンクリート材料として十分に有効利用することが可能なセメント組成物、及び、これを硬化させてなるセメント硬化体を提供することを課題とする。

上記課題を解決すべく本発明者らは、以下のように鋭意研究を行った。
一般的な二次精錬スラグは、精錬容器の構造に起因して撹拌が不十分となり易く、その結果、冷却後に強度の高い部分と低い部分とが混在したり、未反応の遊離石灰が残ったりし易くなるため、転炉スラグや電気炉スラグと比較して品質が不均一であることが多い。
このため、二次精錬スラグをコンクリート材料の骨材として用いると、硬化体が異常膨張を起こす危険性がある等、該骨材としての機能が十分に発揮されないことがわかった。
また、二次精錬スラグの粒径は比較的小さく（粒度分布が微粉側に偏っており）、これにより、骨材として使用しても、歩留が低くなる、セメント組成物の粘性が高くなって、コテ仕上げなどの施工性に劣る、吸水率が大きいことから、スランプの経時変化が大きくなって可使時間が短くなる、等の不具合が生じると考えられる。

一方、可使時間を確保するためには、高性能ＡＥ減水剤を併用することも考えられる。しかし、上記のように、二次精錬スラグは粒径が小さいことから、高性能ＡＥ減水剤を吸着し易い。そのため、二次精錬スラグに高性能ＡＥ減水剤を併用したとき、高性能ＡＥ減水剤の使用量が増加し、不経済な配合となる。また、高性能ＡＥ減水剤の使用量が増加すると、その分、コンクリートの強度発現が遅くなると考えられる。

そこで、上記知見に基づいて本発明者らがさらに鋭意研究を行ったところ、二次精錬スラグを砂と併用することによって、これらを細骨材としてしたとき、得られたセメント組成物のコテ仕上げ性等の施工性を十分なものとしつつ、得られたコンクリート硬化体の強度を十分に高めることができ、これにより、二次精錬スラグをコンクリート材料として使用することが可能となり、その結果、二次精錬スラグを十分に有効利用することが可能となることを見出して、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明に係るセメント組成物は、
セメントと、細骨材と、水とを含有し、
前記細骨材が、二次精錬スラグと砂とを含有してなる。

かかる構成によれば、二次精錬スラグを砂と共に細骨材として含有させることによって、セメント組成物のフレッシュ性状を十分なものとし、また、セメント組成物を硬化させてなる硬化体の強度を十分に高めることができるため、骨材としての使用が可能となる。
よって、二次精錬スラグをコンクリート材料として十分に有効利用することが可能となる。

上記構成のセメント組成物においては、
前記砂１００容積部に対して、前記二次精錬スラグを０．１〜２５容積部含有してなることが好ましい。

かかる構成によれば、二次精錬スラグを０．１〜２５容積部含有してなることによって、セメント組成物のフレッシュ性状を一層十分なものとし、セメント組成物を硬化させてなる硬化体の強度を一層十分に高めることができるため、骨材としての使用が一層可能となる。
よって、二次精錬スラグをコンクリート材料として一層十分に有効利用することが可能となる。

本発明のセメント硬化体は、
前記セメント組成物を硬化させてなる。

かかる構成によれば、上記と同様、二次精錬スラグが十分に有効利用することが可能となる。

本発明によれば、二次精錬スラグをコンクリート材料として十分に有効利用することが可能なセメント組成物、及び、これを硬化させてなるセメント硬化体が提供される。

実施例で作製した硬化体における、セメント水比と、曲げ強度の関係を示すグラフ実施例で作製した硬化体における、曲げ強度及び圧縮強度を示すグラフ

以下、本発明に係るセメント組成物及びセメント硬化体の実施形態について説明する。

本実施形態のセメント組成物は、セメントと、細骨材と、水とを含有し、前記細骨材が、二次精錬スラグと砂とを含有してなる。

前記セメントとしては、従来公知のセメントが挙げられる。かかるセメントとしては、例えば、ＪＩＳＲ５２１０に記載のポルトランドセメントが挙げられる。また、これらのうち、早期の強度を確保する点を考慮すれば、早強ポルトランドセメントが好ましい。
かかるセメントの配合量は、例えば、セメント組成物全体１００質量部に対して１２〜３２質量部とすることが好ましく、１３〜２６質量部とすることがより好ましい。
セメントの配合量が１２〜３２質量部であることによって、施工時のコテによる表面仕上げ性がより良好となり、且つ、早期の強度発現性をより確保できるセメント硬化体を製造できるという利点がある。

前記細骨材は、二次精錬スラグと砂とを含有している。
本実施形態においては、前記細骨材は、ＪＩＳＡ０２０３：２０１４に規定の、１０ｍｍ網ふるいを全部通過し、５ｍｍ網ふるいを質量で８５質量％以上通過する骨材である。

前記二次精錬スラグは、転炉等から出鋼した溶鋼に脱硫、脱燐、脱ガス等の再度の精錬処理（二次精錬）をする際に生成するスラグである。
二次精錬スラグの絶乾密度は、２．０〜３．０ｇ／ｍ^３が好ましく、２．２〜２．６ｇ／ｍ^３がより好ましい。
二次精錬スラグの表乾密度は、２．０〜３．５ｇ／ｍ^３が好ましく、２．３〜３．０ｇ／ｍ^３がより好ましい。
二次精錬スラグの吸水率は、０〜１２質量％が好ましく、０〜１０質量％がより好ましい。
二次精錬スラグの微粒分量は、０〜１５質量％が好ましく、０〜１０質量％がより好ましい。
二次精錬スラグの粗粒率は、２〜５が好ましく、２〜４がより好ましい。

前記砂は、細骨材として使用される砂であれば、特に限定されるものではない。かかる砂としては、例えば、川砂、陸砂、山砂、海砂、砕砂、石灰石砕砂といった天然物由来の砂、高炉スラグ、電気炉酸化スラグ、フェロニッケルスラグ、銅スラグといったスラグ由来の砂等が挙げられる。
また、前記砂はＪＩＳＡ５３０８附属書Ａ：２０１４「レディーミクストコンクリート用骨材」に示される品質を満足するものが好ましい。
上記砂が、上記品質を満たす上記種類の砂であることによって、比較的細粒分の多い二次精錬スラグを使用した場合にも、細骨材全体での粒度調整がより容易となり、流動性及びコテによる表面仕上げ性の良好なセメント組成物を得易いという利点がある。

前記セメント組成物は、砂１００容積部に対して、二次精錬スラグを０．１〜２５容積部含有していることが好ましく、１０〜２５容積部がより好ましい。
二次精錬スラグを０．１〜２５容積部含有していることによって、セメント組成物のフレッシュ性状を一層十分なものとし、また、セメント組成物を硬化させてなる硬化体の強度を一層十分に高めることができるため、骨材としての使用が一層可能となる。
よって、二次精錬スラグをコンクリート材料として一層十分に有効利用することが可能となる。

前記セメント組成物は、該セメント組成物全体１００質量部に対して、前記砂を２〜１０質量部含有していることが好ましく、２〜９質量部含有していることがより好ましい。
砂を２３〜３５質量部含有していることによって、流動性及びコテによる表面仕上げ性がより良好なセメント組成物を得易いという利点がある。

前記セメント組成物に添加する水の量は、例えば、水セメント比（水／セメント）が好ましくは１０〜６０（セメント水比１０〜１．７）、より好ましくは３０〜４５（セメント水比３．３〜２．２）となるように設定し得る。
水セメント比が１０〜６０であることによって、コテによる表面仕上げ性がより良好であり、且つ、早期の強度発現性をより確保できる混練物を製造できるという利点がある。

前記セメント組成物は、上記以外の添加物を含有していてもよい。例えば、粗骨材、高性能ＡＥ減水剤、高性能減水剤、空気量調整剤、流動化剤、硬化促進剤、膨張材等を含有していてもよい。

例えば、前記セメント組成物が粗骨材を含有している場合、該粗骨材としては、川砂利、陸砂利、山砂利、海砂利、砕石、石灰砕石といった粗骨材、高炉スラグ、電気炉酸化スラグといった粗骨材等が挙げられる。また、これら粗骨材は、前記粗骨材はＪＩＳＡ５３０８附属書Ａ：２０１４「レディーミクストコンクリート用骨材」に示される品質を満足するものが好ましい。粗骨材が上記品質を満たす上記種類の粗骨材であって、微粒分の多い二次精錬スラグを使用したセメント組成物でも、骨材全体の微粒分の割合が大きく増えることなく、施工性の良好なセメント組成物を得易いという利点がある。
また、粗骨材の配合量は、例えば、セメント組成物全体１００質量部に対して好ましくは３２〜５４質量部、より好ましくは３７〜５０質量部とすることができる。

例えば、前記セメント組成物が高性能ＡＥ減水剤を含有している場合、該高性能ＡＥ減水剤としては、ポリカルボン酸エーテル系化合物、ポリカルボン酸コポリマー、メタクリル酸系ポリマー等が挙げられる。これらのうち、ポリカルボン酸エーテル系化合物、ポリカルボン酸コポリマーが好ましい。
また、高性能ＡＥ減水剤の配合量は、例えば、セメント１００質量部に対して好ましくは０．１〜４質量部、より好ましくは０．５〜２．０質量部とすることができる。

例えば、前記セメント組成物が空気量調整剤を含有している場合、該空気量調整剤としては、アルキルエーテル系陰イオン界面活性剤、ノニオン系界面活性剤等が挙げられる。
また、空気量調整剤の配合量は、例えば、セメント１００質量部に対して好ましくは０．０００５〜１質量部、より好ましくは０．００１〜０．００６質量部とすることができる。

前記セメント組成物のスランプ値またはスランプフロー値は、施工現場での荷下ろし時において、スランプ値が６．５〜２１ｃｍ、または、スランプフロー値が２５〜６０ｃｍであることが好ましく、スランプ値が６．５〜１８ｃｍ、または、スランプフロー値が３０〜５０ｃｍであることがより好ましい。また、これらスランプ値もしくはスランプフロー値の双方を満たすことが好ましい。
上記スランプ値は、ＪＩＳＡ１１０１：２０１４（コンクリートのスランプ試験方法）によって測定された値である。また、スランプフロー値は、後述する実施例に記載された方法で測定された値である。
荷下ろし時のスランプ値が６．５〜２１ｃｍ、または、スランプフロー２５〜６０ｃｍであることによって、コンクリートがより分離することなく、より良好なワーカビリティーが確保できるため、人力施工がより可能となり、汎用性がより高くなるという利点がある。
荷下ろし時のスランプ値またはスランプフロー値を上記の範囲にするうえでは、製造直後において、スランプ値が６．５〜２６ｃｍ、または、スランプフロー値が２５〜７５ｃｍであることが好ましく、スランプ値が６．５〜２３ｃｍ、または、スランプフロー値が３０〜６５ｃｍであることがよる好ましい。
また、前記セメント組成物のスランプ値またはスランプフロー値の、練り上げから６０分間静置したときの減少量が、スランプ値で０〜５ｃｍ、スランプフロー値で０〜１５ｃｍであることがより好ましい。
上記のように練り上げから６０分経過後のスランプ値の減少量が０〜５ｃｍ、または、スランプフロー値の減少量が０〜１５ｃｍであることによって、製造現場から施工現場までの運搬時間に６０分間要した場合にも、コンシステンシーの管理が容易なセメント組成物が得られるという利点がある。

前記セメント組成物は、前記セメント、前記細骨材、水、及び、必要に応じて他の添加物を混練することによって製造することができる。

本実施形態のセメント組成物によれば、二次精錬スラグを砂と共に細骨材として含有させることによって、セメント組成物のフレッシュ性状を十分なものとし、また、セメント組成物を硬化させてなる硬化体の強度を十分に高めることができるため、骨材としての使用が可能となる。
よって、二次精錬スラグをコンクリート材料として十分に有効利用することが可能となる。

本実施形態のセメント硬化体は、上記セメント組成物を硬化させてなる。
このセメント硬化体は、上記のように、セメント、粗骨材、水、及び、必要に応じて他の添加物を混練した後、打設し、硬化させることによって製造される。
本実施形態のセメント硬化体によれば、上記と同様、二次精錬スラグが十分に有効利用することが可能となる。

本実施形態のセメント組成物及びセメント硬化体は、道路舗装用であることが好適である。

本実施形態のセメント組成物及びセメント硬化体は、以上の通りであるが、本発明は、上記実施形態に特に限定されるものではない。

次に実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

下記のようにして、骨材の物性を測定し、この骨材を用いてセメント組成物を作製し、さらに、これを打設して硬化させてセメント硬化体を作製し、硬化体の各特性を評価した。

（１）使用材料
セメントとして、早強ポルトランドセメント（密度３．１４g／ｃｍ^３）を使用した。
混和剤として、高性能ＡＥ減水剤（ポリカルボン酸エーテル系化合物）、及び、空気量調整剤（アルキルエーテル系陰イオン界面活性剤）を使用した。
骨材として、表１に示すように、粗骨材及び細骨材を使用した。粗骨材として、高炉スラグを用い、細骨材として、陸砂と、製鉄所内にて発生した二次精錬スラグとを用いた。

（２）骨材の物理的試験
この骨材について、ＪＩＳＡ５３０８附属書Ａ：２０１４に準拠して品質試験を行った。
また、ＪＩＳＡ１１０９：２００６（細骨材の密度及び吸水率試験方法）、ＪＩＳＡ１１１０（粗骨材の密度および吸水率試験方法）に準拠して絶乾密度及び表乾密度を測定した。
さらに、ＪＩＳＡ１１０２：２０１４（骨材のふるい分け試験方法）に準拠してよって、粗粒率を測定した。
結果を表１に示す。この表１には、ＪＩＳＡ５３０８附属書Ａ：２０１４に記載された砂の品質規格値を、併せて示す。
表１に示すように、二次精錬スラグは、ＪＩＳＡ５３０８附属書Ａ：２０１４に記載された砂の品質規格と比較して、絶乾密度は少し小さく、吸水率および微粒分量において著しく大きかった。

（３）セメント組成物の作製、及び、フレッシュ性状の評価
室温２０℃の恒温室内で、上記セメントと、骨材と、水とを、表２に示す配合で強制二軸ミキサに投入し、練り混ぜを行った。練り混ぜた後、混練物を静置し、練り上がり直後、及び、練り上がりから６０分間経過（静置）後において、混練物のスランプフロー値（表４にＳＦとして示す。）、及び、混練物の空気量（表４にＡｉｒとして示す。）を測定した。
また、二次精錬スラグを使用することによって混練物の特性に及ぼされる影響を調べるために、表３に示すように、細骨材に対する二次精錬スラグの混合比率（体積比率）を変化させて、上記混練及び下記測定を行った。

セメント組成物の目標フレッシュ性状は、練り上がりから６０分経過後に、スランプフロー値が４０±７．５ｃｍの範囲内、及び、空気量が４．５±１．５％の範囲内であり、且つ、スランプフローの経時変化（直後のスランプフロー値から６０分経過後のスランプフロー値を差し引いた値）が１５ｃｍ以下であることとした。また、混練物において分離が生じず、セメント組成物の粘性が低いこととした。粘性は、施工性を評価する指標である。
スランプフロー値は、ＪＩＳＡ１１５０：２００７（コンクリートのスランプフロー試験方法）に準拠して測定した。
空気量は、ＪＩＳＡ１１２８：２００５（フレッシュコンクリートの空気量の圧力による試験方法−空気室圧力方法）に準拠して測定した。
分離状況は、粗骨材が局部的に集中したり、セメントペーストや水分が時間の経過とともにコンクリート上面に向かって上昇したりするかどうかを目視によって確認し、判定した。そして、上記の現象が確認されない場合、混練物に分離が生じないとして「○」と表し、上記の現象が確認された場合、分離が生じたとして「×」と表した。
粘性は、金ゴテを用いてセメント組成物表面を均した際に、表面のセメントペーストを引っ張るか引っ張らないかを目視によって確認し、判定した。そして、金ゴテでセメントペーストを引っ張らなかった場合を良好として「○」と表し、金ゴテでセメントペーストを引っ張った場合を不良として「×」と表した。
結果を表４に示す。

表４に示すように、細骨材中に２５体積％を超える量の二次精錬スラグを使用すると、セメント組成物の粘性が増し、また、スランプフロー値の経時変化（低下）が大きくなった。これは、二次精錬スラグの微粒分量が大きいことによるものと考えられる。
また、練り上がり６０分後において目標のスランプフロー値４０±７．５ｃｍを得るためには、高性能ＡＥ減水剤を増加させる必要があり、この増加によって、材齢２４時間の硬化体の目標曲げ強度３．５Ｎ／ｍｍ^２の確保が困難になると予想され、また、不経済な配合になると考えられた。
このように、高性能ＡＥ減水剤を標準使用量（セメント質量×０．９質量％）付近とすると、目標のフレッシュ性状を満足するためには、細骨材中の二次精錬スラグの配合量の上限を２５容積％とすることが好ましいことがわかった。
そこで、以下の検討を、細骨材としてスラグ２０を用いて行い、陸砂１００を用いた場合と比較することとした。

（４）セメント組成物におけるセメント水比の検討
表５の配合で、上記と同様にセメント組成物を調製し、ＪＩＳＡ１１３２：２０１４（コンクリートの強度試験用供試体の作り方）に準拠して、１０×１０×４０ｃｍ角柱型の硬化体を作製した。セメント組成物について、上記と同様に、スランプフロー値及び空気量を測定し、硬化体について、曲げ強度を測定し、セメント水比と、セメント組成物のフレッシュ性状及び硬化体の曲げ強度との関係を調べた。
曲げ強度は、ＪＩＳＡ１１０６：２００６（コンクリートの曲げ強度試験方法）に準拠して測定した。
結果を表５に示す。また、セメント水比と曲げ強度との関係を、図１に示す。

図１に示す近似式より、材齢２４時間で曲げ強度３．５Ｎ／ｍｍ^２を得るうえでは、水セメント比を、陸砂１００では３５．７％、スラグ２０では３５．８％となり、両者は概ね同じ値であることがわかった。
環境条件や材料のバラツキを考慮し、陸砂１００及びスラグ２０の双方において、水セメント比を３５％とする配合で、以下のように試験施工を行った。

（５）二次精錬スラグを細骨材として用いた試験施工
表６に示す配合で、陸砂１００、及び、スラグ２０を用いてセメント組成物を調製し、得られたセメント組成物を、幅員４ｍ×延長２０ｍｍの各８０ｍ^２ずつ打設し、敷均し、被膜養生剤を用いて養生しながら硬化させることにより、道路舗装を行って、試験施工を行った。なお、舗装構成は、表層硬化体３０ｃｍ、上部路床５０ｃｍとし、打込み目地を５ｍ間隔で設置した。
陸砂１００、及び、スラグ２０を用いたセメント組成物は、いずれも、調製から敷均しまで、作業性が同程度に良好であった。なお、両施工では、打設した厚みが３０ｃｍと大きく、また、厚みに対してセメント組成物の粘性が比較的低かったため、随時、施工途中に仕切り板を入れて高さを調製しながら打設した。

表６の配合で、上記と同様にしてセメント組成物を調製し、出荷時（調整終了直後）及び荷下ろし時（ここでは調製終直後から３０分経過後）におけるセメント組成物のフレッシュ性状を上記と同様にして測定した。結果を表７に示す。
また、各セメント組成物を用いて上記と同様にして硬化体を作製し、上記と同様にして硬化体の曲げ強度を測定した。また、圧縮強度を測定した。
圧縮強度は、ＪＩＳＡ１１０８：２００６（コンクリートの圧縮強度試験方法）に準拠して測定した。
結果を図２に示す。

表７に示すように、陸砂１００、及び、スラグ２０の双方とも、目標のフレッシュ性状を満足する結果が得られた。また、両配合において、フレッシュ性状の経時変化等に差は見られなかった。
図２に示すように、陸砂１００と比較して、スラグ２０では、曲げ強度が低い傾向にあったが、材齢２４時間の目標曲げ強度３．５Ｎ／ｍｍ^２を満足する結果が得られた。
なお、上記試験施工では、シート等を用いず、被膜養生剤のみを用いて養生を行ったが、施工翌日にひび割れは確認されず、硬化体は健全な状態であることが確認された。

上記のように、細骨材として、陸砂の一部を二次精錬スラグで置換した場合においても、置換しない場合（全て陸砂）と同様に、施工可能であることがわかった。また、材齢２４時間の硬化体の曲げ強度は、二次精錬スラグで置換することによって、若干小さくなる傾向にはあったが、上記目標強度を満足していることがわかった。
このように、細骨材が、二次精錬スラグと、砂とを含有することによって、二次精錬スラグをコンクリート材料として有効利用し得ることがわかった。

Claims

セメントと、細骨材と、水とを含有し、
前記細骨材が、二次精錬スラグと砂とを含有してなるセメント組成物。
前記砂１００容積部に対して、前記二次精錬スラグを０．１〜２５容積部含有してなる、請求項１に記載のセメント組成物。
請求項１または２に記載のセメント組成物を硬化させてなるセメント硬化体。