JP2019104639A

JP2019104639A - 耐凍害性コンクリート用のセメント組成物

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Publication number: JP2019104639A
Application number: JP2017236254A
Authority: JP
Inventors: 浩平水野; Kohei Mizuno; 橋本　学; Manabu Hashimoto; 橋本　　学; 松本　修治; Shuji Matsumoto; 修治松本; 林　大介; Daisuke Hayashi; 大介林
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2019-06-27
Anticipated expiration: 2037-12-08
Also published as: JP6933969B2

Abstract

【課題】耐凍害性コンクリートのセメント組成物に用いるセメント混和材として、「非ＪＩＳフライアッシュセメント」の活用を可能とし、材量コストの削減と産業廃棄物のリサイクル促進に寄与する方法の提供。【解決手段】空気量が３．０〜６．０％である耐凍害性コンクリートの製造に用いるセメント組成物であって、強熱減量の平均値が５．０％を超えるフライアッシュを含有するセメント材と、骨材と、直径０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の樹脂製の中空ビーズと、ＡＥ剤と、水と、を含んでなる、セメント組成物を用いる。好ましくは、フライアッシュの含有量が、前期セメント材に対する割合で５〜３０体積％であることが望ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、耐凍害性（凍結融解抵抗性）を有するコンクリート（以下「耐凍害性コンクリート」とも言う）の製造に用いる耐凍害性コンクリート用のセメント組成物に関する。

寒冷地等に建設されるコンクリート建造物において、コンクリート中に通常よりも多い一定体積比の範囲で、微細な気泡を形成することにより、コンクリートの耐凍害性が向上することが知られている（非特許文献１参照）。又、そのような気泡をコンクリート内に形成する方法として、ＡＥ剤等の化学混和剤をフレッシュコンクリートに適量混入する方法が開示されている（特許文献１参照）。

一方で、火力発電所の微粉炭燃焼ボイラから副産品として大量に産出されるフライアッシュは、セメント混和材として用いた場合に、コストの削減が望めることに加えて、コンクリート組織が緻密化して強度（特には長期強度）が増大し、フレッシュ性状も改善するという効果を享受できることより、フライアッシュを含むセメント材を用いたコンクリートが、様々なコンクリート構造物に広く用いられている（特許文献２参照）。

ここで、上述のフライアッシュは、日本国内で年間約８６０万ｔ発生しており、そのうちＪＩＳＡ６２０１の規格によるＩ種又はＩＩ種のフライアッシュと認定されるフライアッシュ（以下、このフライアッシュを本明細書においては、「ＪＩＳフライアッシュ」と称する。）は４０万ｔ程度であり、これらのＪＩＳフライアッシュについては、様々なコンクリート構造物に広く用いられている

しかしながら、一方で、フライアッシュ発生量の９５％程度を占める上記のＪＩＳ規格のＩ種、ＩＩ種の規定を満たさない低品位のフライアッシュ（以下、このフライアッシュを本明細書においては、「非ＪＩＳフライアッシュ」と称する）については、未燃炭素がコンクリートの品質安定性を損ねるリスクを避けるため、現状、盛土材等への使用の他は、「ＪＩＳフライアッシュ」のようなセメント混和材としての広範な活用は行われていないのが現状である。特に、上述の「耐凍害性コンクリート」用の用途においては、その傾向は顕著であり、非ＪＩＳフライアッシュのセメント混和材として使用実績は実質的に皆無に近い状況であった。これは、低品位のフライアッシュを用いた場合、これに多く残存する未燃炭素に、ＡＥ剤等の化学混和剤が吸着することにより適切な空気量確保が阻害されて、十分な耐凍害性が発現しないリスクが高いからである。

特開平１０−２５９０５０号公報特開平９−２５１４３号公報

コンクリート工学論文集第２３巻第１号２０１２年１月コンクリートの気泡組織と耐凍害性の関係に関する考察

本発明は、耐凍害性コンクリート用のセメント組成物に用いるセメント混和材として、「非ＪＩＳフライアッシュセメント」の活用を可能とし、材量コストの削減と産業廃棄物のリサイクル促進に寄与することを目的とする。

本発明者は、耐凍害性コンクリート用のセメント組成物において、「非ＪＩＳフライアッシュ」をセメント混和材として用いる場合に、微細気泡を連行するための添加剤として、適量のＡＥ剤に加えて、更に、樹脂製の中空ビーズを併用することにより、コンクリートの耐凍害性を、安定的に維持することができることを見出し、本発明を完成させるに至った。本発明は具体的には、以下の各方法等を提供する。

（１）空気量が３．０％以上６．０％以下である耐凍害性コンクリートの製造に用いるセメント組成物であって、強熱減量の平均値が５．０％を超えるフライアッシュを含有するセメント材と、骨材と、直径０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の樹脂製の中空ビーズと、ＡＥ剤と、水と、を含んでなる、セメント組成物。

（１）の発明によれば、ＪＩＳ規格外の低品位のフライアッシュ（「非ＪＩＳフライアッシュ」）を、耐凍害性コンクリート用のセメント組成物のセメント混和材として有効に活用することができる。これにより、耐凍害性コンクリートの材量コストの削減と、従来、有効活用が困難であった産業廃棄物たる「非ＪＩＳフライアッシュ」のリサイクルの促進に寄与することができる。

（２）前記フライアッシュの含有量が、前記セメント材に対する割合で５体積％以上３０体積％以下である、（１）に記載のセメント組成物。

（２）の発明によれば、（１）の発明の効果をより安定的に享受することができる。

本発明によれば、本発明は、耐凍害性コンクリート用のセメント組成物に用いるセメント混和材として、「非ＪＩＳフライアッシュ」の活用を可能とし、材量コストの削減と産業廃棄物のリサイクル促進に寄与することができる。

本発明の耐凍害性コンクリート用のセメント組成物を用いたコンクリート硬化体の空気量及び気泡径の分布を示すグラフ図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。尚、本発明は以下の実施形態に限定されない。本発明のセメント組成物は、耐凍害性を有するコンクリート（耐凍害性コンクリート）の材料として用いられるものであり、セメント材の一部を、この分野では従来使用困難とされていた、低品位の「非ＪＩＳフライアッシュ」で置換するものである。本発明が使用対象として想定する「耐凍害性コンクリート」とは、直径０．０１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の微細気泡の量が、０．５体積％以上であるコンクリート硬化体のことを言うものとする。以下、本発明の実施形態について説明する。尚、本発明は以下の実施形態に限定されない。

＜セメント組成物＞
本発明のセメント組成物は、通常含有量のＡＥ剤に加えて、所定サイズの樹脂製の中空ビーズが、所定量範囲で更に含有されていることを特徴とする。ＡＥ剤及び中空ビーズの各含有量範囲は、コンクリート硬化体の段階における空気量を３．０％以上６．０％以下の範囲内に保持することができる量であればよく、セメント組成物段階における空気量としては、４．０％以上、好ましくは４．５％以上の範囲となるように調合する。

［セメント材（結合材）］
本発明のセメント組成物において主たる結合材として用いるセメント材としては、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント等を用いることができる。これらのセメント材を、コンクリート硬化体の使用用途により適宜使い分けることが好ましい。この結合材の一部を、耐凍害性を維持したまま、低品位の「非ＪＩＳフライアッシュ」で置換することができるようなった点に本発明のセメント組成物の主たる特徴がある。

［非ＪＩＳフライアッシュ］
本発明のセメント組成物は、従来、耐凍害性コンクリートにおいては活用が困難であった、低品位の「非ＪＩＳフライアッシュ」をセメント混和材として活用可能としたものである。本明細書における「非ＪＩＳフライアッシュ」とは、上述の通り、ＪＩＳＡ６２０１の規格によるＩ種又はＩＩ種の規定を満たさないフライアッシュのことをさす。

本発明のセメント組成物に用いる「非ＪＩＳフライアッシュ」は、より、具体的には、強熱減量の平均値が５．０％を超えるフライアッシュのことを言うものとする。上記ＪＩＳ規格（ＪＩＳＡ６２０１ＩＩ種）による強熱減量の基準値（上限）は、５．０％以下とされている。本発明のセメント組成物は、強熱減量がこの基準を超えるフライアッシュを用いることができるように、セメント組成物のその他の組成について特段の工夫をこらしたものである。

尚、低品位のフライアッシュの強熱減量（％）には、ばらつきがあるため、本発明においては、ＪＩＳＲ５２０１「セメントの物理試験方法」の５．の規定に準じて、使用対象とするフライアッシュの平均品質を得られるように、検査対象のロットから適当数の試料を抜き取って検査した結果の平均値が、５．０％を超えた場合、当該使用対象のフライアッシュを本発明における「非ＪＩＳフライアッシュ」とみなすものとする。抜き取り検査する試料の数（ｎ数）は、５以上とし、１０以上であることが好ましい。このｎ数を増やしていった時に、ＪＩＳフライアッシュであれば、強熱減量の平均値は、５．０よりも小さい値に収束していく。その場合に、５．０を超える値に強熱減量の平均値が収束していくものであれば、それは、言うまでもなく、本発明における「非ＪＩＳフライアッシュ」とみなされるべきものである。

本発明のセメント組成物における、上記の規定による「非ＪＩＳフライアッシュ」の含有量は、全てのセメント材に対する割合で、５体積％以上３０体積％以下であればよく、好ましくは、１０体積％以上２０体積％以下である。この範囲内であれば、本発明の他の構成要件を充足する限りにおいて、従来、耐凍害性コンクリートへの使用が困難であった、低品位のフライアッシュを用いたものでありながら、十分な耐凍害性を有するコンクリートを得ることができる。

［ＡＥ剤］
本発明のセメント組成物には、適切なサイズと量の空気由来の微細気泡を形成するために、一般的なＡＥ剤を、従来の耐凍害性コンクリート用のセメント組成物における場合と同等の標準配合量の範囲で添加する。これにより、「非ＪＩＳフライアッシュ」を含むセメント材を用いたセメント組成物において、樹脂製ビーズによる微細気泡部の形成と補完しあって、当該セメント組成物及びそれを用いたコンクリート硬化体における空気量や気泡径の分布を最適化することができる。

従来、低品位の「非ＪＩＳフライアッシュ」でセメント材の一部を置換した場合においては、著しく大量のＡＥ剤を添加しない限り、普通セメントのみを用いた場合と同等の耐凍害性能を担保できなかった。一方で、ＡＥ剤の大量添加は、安定的な気泡形成が困難な状態において結果的に空気量が過大となりコンクリートの強度低下を引き起こすというリスクもあった。本発明のセメント組成物は、ＡＥ剤と樹脂製の中空ビーズとの適切な組合せにより、上記のリスクを回避して、「非ＪＩＳフライアッシュ」をセメント混和材として用いたものでありながら十分な耐凍害性を有するコンクリートを成形することを可能としたものである。

一般に、耐凍害性コンクリート用のセメント組成物は、セメント組成物段階における空気量が、３．０％〜６．０％程度の範囲内であればよく、３．５％〜５．５％程度の範囲内であることが好ましい。本発明のセメント組成物は、従来、耐凍害性コンクリートへの使用が困難であった、低品位のフライアッシュを用いたものでありながら、例えば、後述の実施例において示す通り、標準的な使用量の範囲内でのＡＥ剤の添加により、上記の空気量を保持したセメント組成物とすることができ、これを用いることにより、十分な耐凍害性を有するコンクリートを得ることができる。

［中空ビーズ］
本発明のセメント組成物に混入させる中空ビーズは、硬化時に直径０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の微細気泡部を形成可能な樹脂製の中空ビーズであればよい。本明細書において「ビーズ」とは球形や長円形や円筒形の球を意味する。本発明に用いる中空ビーズは、凍結融解に伴う水圧を緩和して凍結融解抵抗性を発揮させるに足る可撓性を有するものであればよく、その形状は、中空であり、且つ、略球形状であることが好ましい。又、中空ビーズの粒径は、中空部の内径が、０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の範囲であればよく、その外径の０．９５倍以上程度であることが好ましい。又、中空ビーズの粒径（外径）は、上記範囲内で一定の分散があってもよいが、粒径が０．１ｍｍ前後であって、その分散が少ないものが、より好ましい。具体的には、中空ビーズの全粒数のうち７０％の粒が、粒径０．１ｍｍ±０．０５ｍｍの範囲にあるものが好ましい。

中空ビーズの材料の具体例としては、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、アクリルニトリルスチレン共重合体、スチレン・エチレン共重合体、ポリ塩化ビニリデン等の可撓性を有する樹脂を挙げることができる。これらの樹脂を発泡させることにより得ることができる中空ビーズを好ましく用いることができる。

［骨材］
本発明のセメント組成物において使用する骨材（細骨材、粗骨材）は、通常のコンクリートに使用されている砂、砂利、砕石等の普通骨材、抗火石、膨張頁岩等を主原料とした人工骨材等を、特に限定なく用いることができる。

［その他の材料と配合比］
セメント組成物のその他の材料と組成物の配合比については特段限定されない。用途を考慮して適宜設定すればよい。具体的には例えば、水結合材比は、３０％以上６０％以下の範囲であることが好ましく、４０％以上５５％以下であることがより好ましい。その他、単位細骨材量４５０〜１０００ｋｇ／ｍ^３、単位粗骨材量６５０〜１５００ｋｇ／ｍ^３程度の範囲で配合を適宜設定すればよい。

＜コンクリート硬化体＞
本発明のセメント組成物を用いたコンクリート硬化体（以下、単に「コンクリート硬化体」とも言う）は、セメント内に多数の気泡部が分散形成された所謂気泡コンクリートである。その気泡部は、耐凍害性（凍結融解抵抗性）を担保するために、コンクリート硬化体に対する体積比において０．５％以上の割合で、直径０．０１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の微細気泡部を含んで構成されている。更に、当該微細気泡部の少なくとも一部は、直径０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の樹脂製の中空ビーズによって形成されている樹脂製微細気泡部である。この樹脂製微細気泡部のコンクリート硬化体中における体積比は、０．５％以上２．５％以下であることが好ましい。樹脂製微細気泡部の上記体積比を、０．５％以上とすることで、空気の総量を抑制して高い強度を保ったまま良好な凍結融解抵抗性をコンクリート硬化体に備えさせることができる。又、同体積比を２．５％以下に抑えることで、セメント組成物のスランプを最適化して良好な施工性を保持することができる。

樹脂製微細気泡部は、径のバラツキが極めて小さい。コンクリート硬化体の全気泡部のうち少なくとも、体積比において１０％以上がこの樹脂製微細気泡部によって占められていることが好ましい。

以下、本発明の耐凍害性コンクリート用のセメント組成物を用いたコンクリートの製造について、実施例を示しながら詳細に説明する。尚、本発明は、以下に示す実施例に限定されるものではない。

［非ＪＩＳフライアッシュ］
実施例等のセメント組成物に用いるために入手したＪＩＳ規格外の低品位フライアッシュ（以下「フライアッシュ１」と称する）について、同一ロットから１０個の試料を抜き取り、ＪＩＳＡ６２０１の規定に沿って、強熱減量を測定した。この低品位フライアッシュの強熱減量（％）は、ｎ数１０における平均値として算出した結果、５．３％であった。又、参考例用のフライアッシュとしては、市場で入手したＪＩＳＡ６２０１ＩＩ種の認定品を用いた。

［比較例］
比較例１、２とするセメント組成物として、下記表１の材料を表２の組成の通りに調合したものを調合した。各比較例のセメント組成物について、空気量を、ＪＩＳＡ１１１６により測定した。

比較例のセメント組成物のように「非ＪＩＳフライアッシュ」をセメント混和材として用いる場合に、セメント組成物段階での空気量を４．５％とするためには、下記参考例の場合とは異なり、標準使用量（通常はセメント材対比の質量比で０．００６％以内）を、著しく上回る量のＡＥ剤が必要となることが確認された。

［参考例］
参考例とするセメント組成物として、下記表１の材料を表２の組成の通りに調合したものを用いた。

参考例のセメント組成物のようにＪＩＳ規格認定の「ＪＩＳフライアッシュ」をセメント混和材として用いる場合には、比較例の場合とは異なり、上記の標準使用量の範囲内のＡＥ剤の使用により、セメント組成物段階での空気量を４．５％とすることができることが確認された。

［実施例］
実施例とするセメント組成物として、下記表１の材料を表２の組成の通りに調合したものを用いた。

実施例のセメント組成物のようにＪＩＳ規格認定の「ＪＩＳフライアッシュ」をセメント混和材として用いる場合に、中空ビーズの併用により、標準使用量の範囲内でのＡＥ剤の使用により、参考例の場合と同様に、セメント組成物段階での空気量を４．５％とすることができることが確認された。

更に、実施例のセメント組成物と比較例２のセメント組成物について、硬化後のコンクリート硬化体内における空気量と気泡径の分布を測定した。測定は、ＡＳＴＭＣ４５７により行った。結果は図１に示す通りであった。実施例のセメント組成物を用いた場合に、直径０．０７５ｍｍ付近をピークに、微細な気泡が耐凍害性コンクリートとして極めて好ましい態様で導入されていることが確認された。

以上の結果より、本発明によれば、耐凍害性コンクリートへのセメント混和材として、「非ＪＩＳフライアッシュセメント」の活用を可能とし、ＡＥ剤の使用量の大幅な削減も含む材量コストの削減と産業廃棄物のリサイクル促進に寄与することができることが分かる。

Claims

空気量が３．０％以上６．０％以下である耐凍害性コンクリートの製造に用いるセメント組成物であって、強熱減量の平均値が５．０％を超えるフライアッシュを含有するセメント材と、骨材と、直径０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の樹脂製の中空ビーズと、ＡＥ剤と、水と、を含んでなる、セメント組成物。
前記フライアッシュの含有量が、前記セメント材に対する割合で５体積％以上３０体積％以下である、請求項１に記載のセメント組成物。