JP2020152607A - 急硬性セメント、セメントモルタル、セメントコンクリート、道路補修材料、及び、道路の補修方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(A)セメント、
(B)カルシウムアルミネートおよび無水石膏を含有する急硬材、並びに、
(C)凝結調整剤と、を含有する急硬性セメントであって、
上記(A)セメント中のSO3/Al2O3モル比が0.60以上0.80以下であり、
上記(A)セメント中の3CaO・SiO2/2CaO・SiO2モル比が4.0以上である、急硬性セメントが提供される。
(A)セメント、
(B)カルシウムアルミネートおよび無水石膏を含有する急硬材、並びに、
(C)凝結調整剤と、を含有する。
以下、本実施形態に係る急硬性セメントが含み得る配合の種類について詳細に説明する。
本実施形態に係る急硬性セメントはベース成分として(A)セメントを含有する。セメントの種類には特に制限はないが、普通セメント、早強セメント、超早強セメント、中庸熱セメント、耐硫酸塩セメント、低熱セメント、油井セメント等のポルトランドセメント、及び高炉セメント、フライアッシュセメント、及びシリカセメント等の混合セメント、エコセメント等が挙げられる。また、海外のEN197−2000で定められたセメントや中国GB規格で定められるあらゆるセメントを挙げることができ、本実施形態に係る急硬性セメントは、上記の1種又は2種以上を含むことができる。
また、本実施形態に係る急硬性セメントは、(A)セメント中に少なくとも、3CaO・SiO2(エーライト、以降C3Sともいう)と2CaO・SiO2(ビーライト、以降C2Sともいう)を含み、(A)セメント中の3CaO・SiO2/2CaO・SiO2モル比が4.0以上であり、5.0以上であることが好ましく、6.0以上であることがより好ましく、7.0以上であることが特に好ましい。
3CaO・SiO2/2CaO・SiO2モル比の上限は特に制限されないが、例えば、30以下とすることができ、20以下であることがより好ましい。
本実施形態に係る急硬性セメントによれば、セメント中の化学組成の比、かつ、鉱物組成の比を同時に制御することで、短時間における高い強度発現と、長期間養生後の膨張量の抑制とを、安定的に同時に得ることができる。
本実施形態に係る急硬性セメントが、3CaO・SiO2/2CaO・SiO2モル比、及び、SO3/Al2O3モル比を上記範囲内とすることで、安定的に短時間における高い強度発現と、長期間養生後の膨張の抑制とを同時に達成することができる理由は必ずしも明らかではないが、セメント中の化学組成の比、かつ、鉱物組成の比を同時に制御することで、初期の水和反応の速度、及び、エトリンガイド等の水和反応物の生成量、並びに、より長い期間における水和反応の速度、及び、水和反応物の生成量をバランスよく保つことができるため、例えば3時間という短時間において高い強度を発現することと、長期間養生後の膨張量の抑制とを、安定的に同時に得ることができるものと推測される。
また、本実施形態によれば、短時間における高い強度発現と、長期間養生後の膨張の抑制とともに、十分な可使時間の確保も可能である。
また、その他の成分の含有量についても特に制限されないが、セメントを100質量部としたとき、例えば、セメントに含まれるCaOの含有量を60質量部以上、70質量部以下、SiO2の含有量を15質量部以上、25質量部以下、Fe2O3の含有量を1質量部以上、5質量部以下、MgOの含有量を0.1質量部以上、5質量部以下、NaOの含有量を0.05質量部以上、0.5質量部以下、K2Oの含有量を0.05質量部以上、0.8質量部以下とすることができる。
セメントの化学組成を上記数値範囲内とすることによって、より特性バランスに優れた急硬性セメントとすることができる。
また、セメント中に含まれる各鉱物の合計を100質量部としたとき、セメントに含まれる2CaO・SiO2を1質量部以上、15質量部以下とすることができ、2質量部以上、10質量部以下とすることがより好ましい。
また、セメント中に含まれる各鉱物の合計を100質量部としたとき、セメントに含まれる3CaO・Al2O3の含有量を5質量部以上、15質量部以下とすることができ、4CaO・Al2O3・Fe2O3の含有量を5質量部以上、15質量部以下とすることができる。
セメントの鉱物組成を上記数値範囲内とすることによって、より特性バランスに優れた急硬性セメントとすることができるものと考えられる。
なお、本実施形態に係るセメント中の鉱物の含有量は、JIS R 5202「ポルトランドセメントの化学分析方法」に基づき求めたセメントの化学組成分析結果を用い、ボーグ式で算出する。
セメントの化学組成、及び、鉱物組成は、セメント製造の際に用いるクリンカ、石膏の種類及び配合を適切に調整することによって制御することが可能である。
急硬性セメントにおけるセメントの配合量を上記数値範囲内とすることによって、より特性バランスに優れた急硬性セメントとすることができる。
本実施形態に係る急硬性セメントは(B)カルシウムアルミネートおよび無水石膏を含有する急硬材を含有する。
本実施形態において、急硬材は早期にエトリンガイト等の急硬性水和物を生成して、セメントコンクリートに急硬性を付与する成分を示す。本実施形態に係る急硬材は、少なくともカルシウムアルミネートおよび無水石膏を含む。本実施形態に係る急硬材は、本実施形態に係る急硬性セメントに含まれる急硬材を100質量部としたとき、急硬性セメントに含まれるカルシウムアルミネートおよび無水石膏の合計量が、80質量部以上であることが好ましく、90質量部以上であることがより好ましく、100質量部とすることもできる。すなわち、本実施形態に係る急硬材は、カルシウムアルミネートおよび無水石膏のみから成ることとすることもできる。
本実施形態に係る急硬性セメントは(B)急硬材として、カルシウムアルミネートを含む。カルシウムアルミネートは、例えば、CaO原料、Al2O3原料、並びに随意的に加えられるSiO2原料等を電気炉又はキルンで1,200〜1,900℃で合成し、急冷することにより得ることができる鉱物である。
カルシウムアルミネートの組成としては、例えば、CaOが35質量%以上、60質量%以下、Al2O3が40質量%以上、55質量%以下、SiO2が1質量%以上、15質量%以下とすることができる。
例示的な化学物質としては、3CaO・Al2O3、12CaO・7Al2O3、11CaO・7Al2O3・CaF2、CaO・Al2O3、2CaO・Al2O3・SiO2、CaO・Al2O3・2SiO2、3CaO・3Al2O3・CaF2、3CaO・2Na2O・5Al2O3等を挙げることができ、上記の1種又は2種以上を含むことができる。この中でも、12CaO・7Al2O3を含むことが好ましい。
本実施形態に係る急硬性セメントにおいて、急硬性セメントに含まれるカルシウムアルミネートの配合量は、急硬性セメントを100質量部としたとき、2質量部以上、30質量部以下とすることが好ましく、5質量部以上、20質量部以下とすることがより好ましい。
カルシウムアルミネートの配合量を上記数値範囲内とすることによって、より短時間強度と養生後膨張率のバランスに優れた急硬性セメントとすることができる。
本実施形態に係る急硬性セメントは(B)急硬材として、無水石膏を含む。無水石膏は、急硬材として重要な成分の1つであり、カルシウムアルミネートの水和と共に、急硬性水和物であるエトリンガイド等を形成する作用を有するものと考えられる。
本実施形態に係る急硬性セメントにおいて、急硬性セメントに含まれる無水石膏の配合量は、急硬性セメントを100質量部としたとき、2質量部以上、30質量部以下とすることが好ましく、5質量部以上、20質量部以下とすることがより好ましい。
無水石膏の配合量を上記数値範囲内とすることによって、より短時間強度と養生後膨張率のバランスに優れた急硬性セメントとすることができる。
急硬材の組成を上記数値範囲内とすることよって、より短時間強度と養生後膨張率のバランスに優れた急硬性セメントとすることができる。
(B)カルシウムアルミネートおよび無水石膏を含有する急硬材の含有量を上記数値範囲内にすることによって、より短時間強度と養生後膨張率のバランスに優れた急硬性セメントとすることができる。
本実施形態に係る急硬性セメントは(C)凝結調整剤を含む。(C)凝結調整剤は水硬性セメントの凝結に遅延作用を及ぼすものであれば良い。凝結調整剤としては、例えば、クエン酸、グルコン酸、酒石酸、リンゴ酸等の有機酸、又はそれらの塩類、ホウ酸、ホウ酸ナトリウム等のホウ酸塩、リン酸塩、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属重炭酸塩等の無機塩、糖類などの群の中から選ばれる一種又は二種以上が使用可能である。硬化時間の調整と初期強度発現性の観点から、凝結調整剤は、クエン酸、クエン酸塩、酒石酸、酒石酸塩、アルカリ金属炭酸塩の群の中から選ばれる一種又は二種以上を含むことがより好ましく、有機酸とアルカリ金属炭酸塩を併用することが特に好ましい。
本実施形態に係る急硬性セメントにおいては、慣用されている各種のセメント混和剤を適宜添加することができる。本実施形態に係る急硬性セメントにおいては、膨張材、減水剤、AE減水剤、高性能減水剤、高性能AE減水剤、消泡剤、増粘剤、防錆剤、防凍剤、収縮低減剤、ベントナイトなどの粘土鉱物、ハイドロタルサイトなどのアニオン交換体、高炉水砕スラグ微粉末や高炉徐冷スラグ微粉末などのスラグ、石灰石微粉末などの混和材料からなる群のうちの一種又は二種以上を併用することが可能である。
本実施形態に係る急硬性セメントは、上述した(A)セメント、(B)急硬材、(C)凝結調整剤以外の成分を含有する場合、急硬性セメント全体を100質量部としたとき、急硬性セメントに含まれる(A)セメント、(B)急硬材、(C)凝結調整剤の合計を、90質量部以上100質量部以下とすることができ、95質量部以上100質量部以下とすることがより好ましい。本実施形態に係る急硬性セメントは、急硬性セメント全体を100質量部としたとき、急硬性セメントに含まれる(A)セメント、(B)急硬材、(C)凝結調整剤の合計を100質量部とし、(A)セメント、(B)急硬材、(C)凝結調整剤以外の成分を含まない態様とすることもできる。
本発明に係る急硬性セメントは、上述した(A)セメント、(B)急硬材、(C)凝結調整剤等を混合することにより製造可能である。
なお、体積基準粒度分布は、市販の粒度分布測定装置を用いることができる。例として、HORIBA製、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置LA−920などが挙げられる。
本実施形態に係る急硬性セメントは、粒子径を上記数値範囲内に調整することによって、水和反応をより適切に制御することができるため、より短時間強度と養生後膨張率のバランスに優れた急硬性セメントとすることができる。
急硬性セメントの粒子径は、必要に応じて粉砕、及び、分級工程を行うことによって調整することが可能である。粉砕、及び、分級の方法は特に制限されず、公知の粉砕、及び、分級方法を用いることが可能であるが、例えば、粉砕方法としては、ボールミルやローラーミル、分級方法としては、気流分級機等が挙げられる。
ブレーン比表面積を上記数値範囲内に調整することによって、より短時間強度と養生後膨張率のバランスに優れた急硬性セメントとすることができる。
本実施形態に係るセメントモルタル、又は、セメントコンクリートは上記の本実施形態に係る急硬性セメントを含む。
本実施形態に係るセメントモルタルは、本実施形態に係る急硬性セメント、細骨材、及び水を含むことができ、本実施形態に係るセメントコンクリートは、本実施形態に係る急硬性セメント、細骨材、粗骨材、及び水を含むことができる。
骨材としては、適度な施工性及び強度発現性が得られれば、特に限定されるものではないが、例えば、川砂、海砂、山砂、砕砂、人工細骨材、スラグ細骨材、再生細骨材、珪砂、川砂利、陸砂利、砕石、人工粗骨材、スラグ粗骨材、再生粗骨材等が挙げられ、この中でも珪砂を含むことが好ましい。
骨材の使用量は、急硬性セメントに含まれる(A)セメント、(B)カルシウムアルミネートおよび無水石膏、(C)凝結調整剤の合計100質量部に対して、50質量部以上、900質量部以下が好ましく、100質量部以上、700質量部以下がより好ましい。
水の添加量は、急硬性セメント100質量部に対して、10質量部以上、50質量部以下とすることが好ましく、15質量部以上、45質量部以下とすることがより好ましく、20質量部以上、40質量部以下とすることが特に好ましい。上記数値範囲内とすることによって、材料分離がなく、かつ、適度な流動性を有するセメントモルタル、セメントコンクリートとすることができる。
本実施形態に係る道路補修材料は、本実施形態に係る急硬性セメントを含む。本実施形態に係る道路補修材料は、少なくとも本実施形態に係る急硬性セメントと、水とを含むことができ、セメントペースト、セメントモルタル、又は、セメントコンクリートとして、例えば、道路、鉄道、及び導水路等のトンネルにおいて、露出した地山面への覆工時やトンネルの補修等といった覆工時に使用することが可能である。
本実施形態に係る道路補修材料は、例えば、車道やバスレーン、空港等の道路の補修に用いることができる。補修方法は特に制限されないが、本実施形態の急硬性セメントを含む、セメントペースト、セメントモルタル、又は、セメントコンクリートである道路補修材料を、例えば道路のポットホールや舗装材のひび割れ等に流し込み、硬化前にコテ等で表面を均して施工することができる。本実施形態に係る道路補修材料を用いた道路補修方法によれば、短時間での補修が可能であり、膨張率が低く、十分な耐久性を有するため、道路の通行止めの時間を最小限にでき、かつ、クラック等の不具合の発生頻度が低い補修が可能である。
(A)セメント
以下のセメント1〜4を準備した。
セメント1:市販の早強ポルトランドセメント(ブレーン比表面積4500cm2/g、密度3.12g/cm3)
セメント2:市販のEN197−2000で定めるCEM I 52.5(ブレーン比表面積3900cm2/g、密度3.15g/cm3)
セメント3:市販の普通ポルトランドセメント(ブレーン比表面積3300cm2/g、密度3.15g/cm3)
セメント4:市販のEN197−2000で定めるCEM I 52.5(ブレーン比表面積3900cm2/g、密度3.10g/cm3)
急硬材1:非晶質カルシウムアルミネート無水石膏系急硬材(DIT社製SC−ONE)
凝結調整剤1:炭酸カリウムと有機酸併用系凝結調整剤(DIT社製D200)
上記各セメントの密度及びブレーン比表面積は、JIS R5201(セメントの物理試験方法)に基づき測定した。
JIS R 5202「ポルトランドセメントの化学分析方法」に基づく、セメント1〜4の化学分析結果を表1に示す。また、得られた化学組成分析結果(質量部)から、SO3/Al2O3比(モル比)を算出した。結果を表1に示す。
得られた化学組成分析結果から、上記セメント1〜4の鉱物組成(質量部)をボーグ式によって算出した。また、エーライト(3CaO・SiO2)/ビーライト(2CaO・SiO2)比(モル比)を算出した。結果を表1に示す。
(A)セメントとしてセメント1を70質量部、(B)カルシウムアルミネートおよび無水石膏を含有する急硬材として、急硬材1を30質量部、(C)凝結調整剤として、凝結調整剤1を1.5質量部分取し、混合して、急硬性セメント1を得た。
セメントとして、それぞれ表1に記載のセメントを用いた以外は実施例1と同様に急硬性セメント2〜4を得た。
得られた各実施例・比較例の急硬性セメントについて、以下の評価を行った。
JIS R5201(セメントの物理試験方法)に基づき測定した。
得られた各実施例・比較例の急硬性セメントをエタノールに超音波分散させ、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置(HORIBA社製、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置LA−920)で体積基準粒度分布を測定した。かかる体積基準粒度分布における粒子径1.0μm以上、5.0μm以下の粒子の積算値を求めた。
各実施例・比較例の急硬性セメント900gと、細骨材1350g、水306gを、室温20℃において混合してモルタルを調製し、圧縮強度と長さ変化率を測定した。
細骨材:新潟県糸魚川市姫川産川砂、表乾状態、密度2.62g/cm3、最大骨材寸法5mm
水:水道水
JIS R 5201に基づき、4×4×16cmの試験体を作製し、3時間後の圧縮強度を測定した。
自由収縮ひずみを「JIS A 1129−3 モルタル及びコンクリートの長さ変化測定方法−第3部:ダイヤルゲージ方法 附属書A(参考)モルタル及びコンクリートの乾燥による自由収縮ひずみ試験方法」に基づき測定した。まず、4×4×16cmの試験体を成形し、成形3時間後に脱型、基長を測定した。次に、20℃、60RH%にて材齢28日まで養生後、再度長さを測定し、長さ変化率を算出した。
Claims (9)
- (A)セメント、
(B)カルシウムアルミネートおよび無水石膏を含有する急硬材、並びに、
(C)凝結調整剤と、を含有する急硬性セメントであって、
前記(A)セメント中のSO3/Al2O3モル比が0.60以上0.80以下であり、 前記(A)セメント中の3CaO・SiO2/2CaO・SiO2モル比が4.0以上である、急硬性セメント。 - 体積基準粒度分布における粒子径1.0μm以上、5.0μm以下の粒子の積算値が16体積%以上である請求項1に記載の急硬性セメント。
- ブレーン比表面積が4000cm2/g以上、7000cm2/g以下である、請求項1又は2に記載の急硬性セメント。
- 前記急硬性セメントに含まれる前記(A)セメントの含有量が、前記急硬性セメント100質量部に対し、65質量部以上95質量部以下である、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の急硬性セメント。
- 前記急硬性セメントに含まれる前記(B)カルシウムアルミネートおよび無水石膏を含有する急硬材の含有量が、前記急硬性セメントに含まれる前記(A)セメント100質量部に対して5質量部以上50質量以下である、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の急硬性セメント。
- 前記急硬性セメントに含まれる前記(C)凝結調整剤の含有量が、前記急硬性セメントに含まれる前記(A)セメント、及び、前記(B)カルシウムアルミネートおよび無水石膏の合計100質量部に対して0.01質量部以上5質量部以下である、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の急硬性セメント。
- 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の急硬性セメントを含む、セメントモルタル又はセメントコンクリート。
- 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の急硬性セメントを含む、道路補修材料。
- 請求項8に記載の道路補修材料を用いた道路の補修方法。
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