JP2018008860A - セメント組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
モルタル、コンクリート等の水硬性材料を含む組成物の硬化後に得られた硬化体の乾燥による収縮(以下、乾燥収縮と称することがある)は、硬化体のひび割れを引き起こし、ひいては、土木、建築構造物の強度、耐久性等の低下を招く虞がある。
このため、セメント組成物の打ち込み時における流動性、得られる硬化体の強度等の性能を維持しつつ、得られる硬化体の乾燥収縮を低減することが求められている。
硬化体の乾燥収縮を低減する手段として、一般に、セメント硬化体における単位水量を一定以下に抑える対応が行われている。しかし、単に単位水量を低減させるのみでは、実用上十分な収縮低減効果を得ることが困難であり、さらに、施工時の流動性を確保することが困難になることがある。
また、セメント硬化体の乾燥収縮等の低減に有用とされる、ポリエチレングリコールモノシクロアルキルエーテル、ポリアルキレングリコール又はそのアルキルエーテル、特定構造の有機リン酸エステル及び消泡剤を含む水硬性セメント組成物用添加剤が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
また、特許文献2に記載の水硬性セメント組成物用添加剤は、嵩高い疎水部を有するアルコール等の界面活性能を有する化合物と消泡剤とを含み、表面張力の低減により乾燥収縮を低減させるものと考えられるが、本発明者らの検討によれば、収縮低減効果になお改良の余地がある。また、特許文献2に記載のセメント組成物用添加剤は、既述のように疎水部と親水部とを有するアルコール系の化合物を含むため、セメント組成物に共存させる化学混和剤である減水剤、増粘剤などの添加剤の種類によっては、組成物中で反応して粘度が上昇したり、組成物が分離したりする懸念があると考えられる。
尿素誘導体及び親水性アミン化合物からなる群より選択される少なくとも1種の化合物は、良好な水溶性を示し、水との親和性に優れ、既述の含有量で用いることによりセメント硬化体の収縮低減効果に優れる。さらに、セメント組成物と水とを混合した場合においても、混合物のイオン性に影響を与えず、共存する他の成分との反応性を殆ど有しないため処方の自由度に優れる。
式(II)において、R5は水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基を表し、3つのR5の全てが水素原子であることはない。
式(I)、式(II)及び式(III)の化合物は、水溶性であり、簡易に入手することができ、既述の含有量をセメント組成物に用いることで、硬化体の収縮低減効果がより良好となる。
セメント組成物の粘度調整に有用な、水の存在下、会合してミセルを形成する増粘剤は、従来公知のアルコール系の収縮低減剤と共存するとミセルが崩壊し、セメント組成物が分離するという問題がある。本実施形態のセメント組成物は、当該増粘剤を使用しても分離が生じないため、得られる硬化体の収縮低減効果に加え、セメント組成物に所望の粘度、流動性等を付与することができる。
本明細書において、組成物中の各成分の量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。
なお、本明細書では、以下、「尿素誘導体及び親水性アミン化合物からなる群より選択される少なくとも1種の化合物」を「特定含窒素化合物」と称することがある。
本明細書において、工程との文言は、独立した工程だけでなく、他の工程と明確に区別できない場合であっても本工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
本明細書において、セメント組成物、及びセメント硬化体の文言は、水硬性材料、水及び特定含窒素化合物を含有するセメント組成物において、さらに細骨材を含むモルタル組成物、及びモルタル硬化体、並びに、さらに細骨材と粗骨材とを含むコンクリート組成物、及びコンクリート硬化体を包含する意味で用いられる。
本実施形態のセメント組成物は、水硬性材料と、水硬性材料100質量部に対して1.5質量部〜10質量部の尿素誘導体及び親水性アミン化合物からなる群より選択される少なくとも1種の化合物と、を含有する。
特定含窒素化合物は、水への溶解性に優れ、且つ、水溶液中においてイオンに分解することなく均一に溶解して存在する。
このため、特定含窒素化合物は、共存する他の成分とのイオン性の結合による物性の所望されない変化が生じ難く、特定含窒素化合物の添加により、水硬性材料に対する液状成分としての容積が向上し、流動性がより向上するという利点をも有するものと推定される。
本実施形態のセメント組成物を硬化して得られるセメント硬化体の空隙内に、特定含窒素化合物が水に溶解した状態で存在する。特定含窒素化合物は保水性および水分蒸発抑制性に優れるために、硬化体の乾燥時における空隙内の水分の急激な減少が抑制され、水分の急激な減少に起因する体積収縮が低減されるものと考えられる。
なお、本発明は上記推定機構になんら制限されない。
本実施形態のセメント組成物は、水硬性材料を含む。水硬性材料には特に制限はなく、水と混合して硬化体を形成しうる材料であれば適宜選択して用いることができる。水硬性材料としては、セメント、セメントと混和材との混合物等が挙げられる。
本実施形態のセメント組成物が含みうる水硬性材料であるセメントには特に制限はなく、セメント組成物の使用目的に応じて、各種セメント類の中から、適宜選択することができる。
セメントとしては、早強ポルトランドセメント、普通ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント、混合セメントすなわち、高炉セメント、フライアッシュセメント、シリカセメント、その他、エコセメント、白色ポルトランドセメント、高硫酸塩スラグセメント、アルミナセメント、石灰、セッコウなどが挙げられる。
本実施形態の水硬性材料は、セメントと混和材との混合物を含む。セメントと混合して用いることができる混和材としては、高炉スラグ微粉末、フライアッシュ、シリカフューム、膨張材、高強度用混和材、石灰石微粉末、砕石粉、スラッジ粉、下水汚泥微粉末、シリカ質混和材、廃コンクリート微粉末などが挙げられる。
コンクリート硬化体を製造する場合、通常は、セメント組成物中に、水硬性材料の総量として、270kg/m3〜650kg/m3含有することができ、320kg/m3〜530kg/m3含有することが好ましい。
本実施形態のセメント組成物は、尿素誘導体及び親水性アミン化合物からなる群より選択される少なくとも1種の特定含窒素化合物を、水硬性材料100質量部に対して1.5質量部〜10質量部含有する。
特定含窒素化合物は、親水性であっても、イオン性を有しない化合物であり、両性又は非イオン性の化合物であることが好ましい。特定含窒素化合物がイオン性を有しないことで、水硬性材料と、水との混合物に特定含窒素化合物が共存した場合でも、混合物の表面張力には影響を与えず、流動性に影響を与える懸念が少ない。また、任意成分としてイオン性の成分を併用した場合でも、当該成分との間で所望されないイオン性の反応を生じる懸念がない。
特定含窒素化合物としては、尿素誘導体、親水性の2級アミン化合物、及び3級アミン化合物から選ばれる化合物が好ましく、なかでも、下記式(I)、式(II)及び式(III)からなる群より選択される少なくとも1種の化合物が好ましい。
式(II)において、R5は水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基を表す。3つ存在するR5は互いに同じであってもよく、異なっていてもよい。但し、3つのR5の全てが水素原子であることはない。
以下、本実施形態における好ましい特定含窒素化合物について説明する。
式(I)中、R1、R2、R3及びR4はそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基を表し、アルキル基は置換基としてヒドロキシ基を有するヒドロキシアルキル基であってもよい。但し、R1、R2、R3及びR4のすべてが水素原子であることはない。式(I)で表される化合物のなかでも、R1及びR2がメチル基又はエチル基であり、且つ、R3及びR4が水素原子である化合物、R3及びR4がメチル基又はエチル基であり、且つ、R1及びR2が水素原子である化合物、R1、R2、R3又はR4のいずれか一つがメチル基又はエチル基であり、その他が水素原子である化合物が好ましい。
式(II)において、R5は水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基を表す。3つ存在するR5は互いに同じであってもよく、異なっていてもよい。但し、3つのR5の全てが水素原子であることはない。
なかでも、3つのR5のうち少なくとも1つが炭素数1〜3のアルキル基である化合物が好ましく、3つR5の全てが炭素数1〜3のアルキル基である化合物がより好ましい。
R5におけるアルキル基としては、メチル基、及びエチル基から選ばれるアルキル基が好ましい。
ヘキサメチレンテトラミンは、水硬性材料との関連において混合物の流動性を低下させず、既述の含有量をセメント組成物に用いることで、良好な収縮低減効果が得られる。
特定含窒素化合物の含有量は、特定含窒素化合物の含有量が水硬性材料100質量部に対して2質量部〜8質量部が好ましく、3質量部〜5質量部がより好ましい。
本実施形態のセメント組成物における水/結合材比には特に制限はなく、セメント組成物により得られる硬化体の使用目的によって適宜選択される。
一般には、水と結合材である水硬性材料との質量比は、35%以上65%以下の範囲とすることができ、45%以上60%以下であることが好ましい。
水/結合材比が上記範囲において、セメント組成物の流動性が良好に維持され、且つ、得られる硬化体の強度がより良好となる。
本実施形態のセメント組成物は、骨材を含有することができる。骨材としては、細骨材、粗骨材としてコンクリート用骨材等が挙げられる。再生骨材を使用してもよい。本実施形態のセメント組成物における骨材の種類や量は特に制限はなく、形成されるセメント硬化体の用途に応じて、骨材の種類及び配合割合は適宜選択することができる。
本実施形態のセメント組成物には、上記水硬性材料、及び特定含窒素化合物に加え、セメント組成物に含まれうる公知の添加剤を、本実施形態の効果を損なわない限りにおいて含有することができる。
公知の添加剤としては、例えば、減水剤、空気連行剤、増粘剤、消泡剤、硬化促進剤などが挙げられる。
本実施形態のセメント組成物は、増粘剤として、水の存在下、会合してミセル(会合体)を形成する増粘剤(以下、特定増粘剤と称することがある)を含有することができる。
セメント組成物における各成分は、例えば、含有させる水、セメント、骨材の比重が大きく異なるため、流動性を向上させたり、セメント組成物を型枠内に打設した後に振動を付与したりすると、分離することがある。セメント組成物を型枠内へ打設する場合には、流動性が良好であることが作業性の観点から好ましいため、セメント組成物に減水剤を加え、且つ、分離抵抗性を増加させる手法として増粘剤を含有させることが好ましい。
なかでも、水硬性材料の硬化性を低下させない増粘剤として、水の存在下、会合してミセルを形成する増粘剤が好ましい。
より具体的には、(a)両性界面活性剤から選ばれる化合物及びアニオン性界面活性剤から選ばれる化合物の組合せ、(b)4級塩型カチオン性界面活性剤から選ばれる化合物及びアニオン性芳香族化合物から選ばれる化合物の組合せ、(c)4級塩型カチオン性界面活性剤から選ばれる化合物及び臭化化合物から選ばれる化合物の組合せ、から選択される化合物を含有する増粘剤であり、それぞれ組み合わせる前の水溶性低分子化合物単独の粘度が100mPa・s以下であり、2種を組み合わせることにより、水中で2種の化合物が反応してミセルを形成することにより、それぞれの単独の粘度より2倍以上の粘度を発現する増粘剤である。
なかでも、アルキルアリールスルホン酸を主成分とする(b−1)剤と、アルキルアンモニウム塩を主成分とする(b−2)剤と、の組合せを含む特定増粘剤が好ましい。
特定増粘剤は、市販品としても入手可能であり、市販品としては、例えば、花王(株)製、ビスコトップが挙げられる。
一方、本実施形態のセメント組成物における特定含窒素化合物は、界面活性能を有しない水溶性化合物であり、特定増粘剤と組み合わせて用いても、組成物の分離が生じず、本実施形態のセメント組成物が有する収縮低減効果と、特定増粘剤が有する流動性の制御効果の両立が可能となることが明らかとなった。
以下に示す処方に従い、セメント組成物を調製し、得られたセメント組成物を用いてモルタル試験を行った。
細骨材としての砂を含むセメント組成物を作製し、JIS R 5201(1997年)に定める方法で、フローを測定し、セメント組成物を用いて得られたセメント硬化体の圧縮強さを測定し、硬化体の圧縮強度の指標とした。
セメント硬化体の乾燥収縮の評価については、JIS A 1129−2(2010年)に規定する乾燥収縮歪を測定することで行った。JIS A 1129−2(2010年)に準じて測定した乾燥収縮歪が小さいほど、乾燥収縮が低減されていることを示す。
・水硬性材料:普通ポルトランドセメント(密度3.16g/cm3、比表面積3290cm2/g)
・収縮低減剤(A−1):尿素誘導体(密度1.14g/cm3、分子量88、式(I)で表される化合物であり、R1及びR2がメチル基であり、R3及びR4が水素であるジメチル尿素)
・収縮低減剤(A−2):無水ベタイン(密度1.00g/cm3、分子量117、式(II)で表される化合物であり、3つのR5がいずれもメチル基である化合物)
・ヘキサメチレンテトラミン(A−3):密度1.34g/cm3、分子量140(式(III)で表される化合物)
・比較収縮低減剤(CA−1):ポリエーテル誘導体であるポリアルキレングリコールモノアルキルエーテルを含む、密度1.01g/cm3)
・細骨材:JIS標準砂
*1:下記表1及び表2における収縮低減剤の含有量は、セメント組成物に含まれる水硬性材料であるセメント100質量部に対する含有比率(質量部)である。
他方、収縮低減剤を含有しない比較例1は、乾燥収縮歪が大きく、実施例2と同様の収縮低減剤を用いても含有量が本実施形態のセメント組成物における規定量よりも少ない比較例2のセメント組成物により得られたセメント硬化体は、十分な乾燥収縮低減効果が得られなかった。
実施例2と同様の収縮低減剤を用いても含有量が本実施形態のセメント組成物における規定量よりも多い比較例3のセメント組成物により得られたセメント硬化体は、乾燥収縮低減効果は得られたが、圧縮強さが低いことがわかる。
本実施形態の特定含窒素化合物に代えて、比較収縮低減剤(CA−1)を含有する比較例4のセメント組成物により得られたセメント硬化体は、乾燥収縮低減効果及び圧縮強さのいずれも実施例に比較して劣っていた。
下記表2に示す処方にて実施例5〜実施例7のセメント組成物を調製した。
<セメント組成物に含まれる材料>
・特定増粘剤:水の存在下で会合してミセルを形成する増粘剤(花王(株)製、ビスコトップ)
・減水剤:ポリカルボン酸系高性能AE減水剤(竹本油脂(株)製、チューポールHP−11)
水硬性材料、収縮低減剤、骨材は、表1における材料と同様である。
特定増粘剤を用いた場合のセメント組成物の分離の有無を以下の基準にて評価した。
・分離無し:JIS R 5201のフロー試験において、細骨材とセメントペーストが一体となってフローテーブル上に広がった場合を「分離無し」と判定した。
・分離:JIS R 5201のフロー試験において、細骨材とセメントペーストが一体となってフローテーブル上に広がらずに、フローテーブルの中心付近に細骨材が残り、セメントペーストのみがフローテーブル上に広がった場合を「分離」と判定した。
*1:下記表2における特定増粘剤及び減水剤の含有量は、セメント組成物に含まれる水硬性材料であるセメント100質量部に対する含有比率(質量部)である。
また、実施例1と実施例5〜7との対比より、減水剤及び特定増粘剤を含有することで、セメント組成物の流動性がより向上しており、且つ、乾燥収縮歪みの抑制効果、圧縮強さについては、所望のレベルを達成していることがわかる。
一方、比較収縮低減剤を用いた比較例8は、特定増粘剤の含有に起因して分離してしまい、均一な硬化体を得ることができなかった。
このことから、本実施形態のセメント組成物は、収縮低減剤を含有していても、水の存在下でミセルを形成する特定増粘剤と併用することができ、さらなる流動性の向上が得られることが確認された。
Claims (3)
- 水硬性材料と、
水硬性材料100質量部に対して1.5質量部〜10質量部の尿素誘導体及び親水性アミン化合物からなる群より選択される少なくとも1種の化合物と、を含有するセメント組成物。 - 前記尿素誘導体及び親水性アミン化合物からなる群より選択される少なくとも1種の化合物は、下記式(I)、式(II)及び式(III)からなる群より選択される少なくとも1種の化合物である請求項1に記載のセメント組成物。
式(I)において、R1、R2、R3及びR4はそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基を表し、アルキル基は置換基としてヒドロキシ基を有していてもよい。但し、R1、R2、R3及びR4のすべてが水素原子であることはない。
式(II)において、R5は水素原子又は炭素数1〜3のアルキル基を表す。3つ存在するR5は互いに同じであってもよく、異なっていてもよい。但し、3つのR5の全てが水素原子であることはない。但し、3つのR5の全てが水素原子であることはない。 - さらに、水の存在下、会合してミセルを形成する増粘剤を、水硬性材料100質量部に対して0.5質量部〜5質量部含有する請求項1又は請求項2に記載のセメント組成物。
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- 2016-07-15 JP JP2016140743A patent/JP6778529B2/ja active Active
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