JP2020158311A - 練混ぜ不要のセメント系組成物及びその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】練混ぜ不要のセメント組成物を、対象箇所に充填し、必要に応じて散水することで、セメント材料と水を練混ぜる作業、施工後の転圧作業、加熱や保湿などの特別な養生などを全く必要とせずに、１０分以内の短時間で硬化させることを可能とする練混ぜ不要のセメント組成物及びその使用方法の提供。【解決手段】特定のセメント、カルシウムアルミネート、及び骨材を含有することを特徴とする、練混ぜ不要のセメント組成物及びその使用方法。【選択図】なし

Description

本発明は、主に、土木・建築業界において使用されるセメント組成物に関する。

通常、土木・建築業界において、セメント系材料の使用に当たっては、練混ぜ〜成型〜養生の煩雑かつ重労働の工程が必要である。労働人口の減少や職人の減少等により、作業の簡略化、軽減化、単純化が求められる。こうした背景から、コンクリートの練混ぜを容易にする方法や、作業時間を短縮可能にするための急硬性コンクリートの利用等がされている。

特許文献１の補修方法では、自動化したコンクリート練混ぜ装置により作業の簡略化、軽減化が図られるが、特殊な練混ぜ装置を必要とするため、コンクリートコストが上昇する恐れがあった。また、特許文献２は、急硬性コンクリートとすることにより、特殊な養生をせずに、早期に開放が可能である。しかしながら、普通コンクリートと同様に、煩雑な練混ぜ工程を必要とするという課題があった。

特開２０１６−６０１３４号公報 特開２００２−３５６３６３号公報

通常、セメント系材料を使用する場合、セメント系材料と水の練混ぜ作業は必須である。このため、専用の練混ぜ装置が必要となるが、運搬が困難な山間部等へ練混ぜ装置を持ち込むことは困難な場合が多かった。また、道路面に発生するポットホールのような小さな容積に対しては、その都度練混ぜ作業を行うことは非効率であった。更に、練混ぜ時に、粉塵が発生し、周辺の住宅から苦情が発生する恐れがあった。なお、ポットホールとは、道路を通過する車両による繰返し荷重、道路の形状、舗装の滞水等に起因して、道路の舗装面に形成される穴をいう。

本発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意研究を進めたところ、特定の骨材とカルシウムアルミネートを併用することで、練混ぜを必要とせずに硬化させることが可能であることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明は、
（１）セメント、カルシウムアルミネート、及び骨材を含有することを特徴とする、練混ぜ不要のセメント組成物であり、
（２）カルシウムアルミネートのＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が、１．０以上３.０以下であることを特徴とする、（１）に記載の練混ぜ不要のセメント組成物であり、
（３）骨材の２．５ｍｍ以上の粒径が占める割合が３０％以上であることを特徴とする、（１）又は（２）に記載の練混ぜ不要のセメント組成物であり、
（４）更に、カルボン酸構造を持つ凝結調整剤を含有することを特徴とする、（１）〜（３）の練混ぜ不要のセメント組成物であり、
（５）更に、アルカリ金属無機塩である凝結調整剤を含有することを特徴とする、（１）〜（４）の練混ぜ不要のセメント組成物であり、
（６）更に、多糖類ガムを含有することを特徴とする、（１）〜（５）の練混ぜ不要のセメント組成物である。
（７）更に、（１）〜（６）の練混ぜ不要のセメント組成物を、対象箇所に充填し、散水することを特徴とする練混ぜ不要のセメント組成物の使用方法である。

本発明のセメント組成物を、対象箇所に充填し、必要に応じて散水することで、セメント材料と水を練混ぜる作業、施工後の転圧作業、加熱や保湿などの特別な養生などを全く必要とせずに、１０分以内の短時間で硬化させることを可能とする練混ぜ不要のセメント組成物及びその使用方法を提供することが可能となる。

以下、本発明を詳細に説明する。なお、本明細書に記載する部や％は特に規定しない限り質量基準で示す。また、本発明でいう、セメント組成物とは、セメント、カルシウムアルミネート、骨材、凝結調整剤、更に多糖類ガムを含有するものと定義する。

本発明に係るセメントとは、普通、早強、超早強、低熱、中庸熱などの各種ポルトランドセメントや、これらポルトランドセメントに、高炉スラグ、フライアッシュ、又はシリカ等を混合した各種混合セメント、石灰石粉末や高炉徐冷スラグ微粉末などを混合したフィラーセメント等が挙げられる。更には、都市ゴミ焼却灰や下水汚泥焼却灰を原料として製造された環境調和型セメント、いわゆるエコセメントが挙げられる。本発明では、上記のうちの一種又は二種以上を併用して使用することが可能である。

本発明に係るカルシウムアルミネートとは、カルシア原料とアルミナ原料を混合して、キルンで焼成して得られる、あるいは、電気炉で溶融し冷却して得られる結晶質及び非晶質のＣａＯとＡｌ_２Ｏ_３とを主成分とする化合物である。本発明のカルシウムアルミネートの代表的なものとしては、アルミナセメントがあり、一般に市販されているアルミナセメント１号やアルミナセメント２号などが使用できる。更に、アルミナセメントよりも短時間で硬化し、その後の初期強度発現性が高いカルシウムアルミネートとして、電気炉で溶融後、急冷した非晶質カルシウムアルミネートが好ましい。カルシウムアルミネートのＣａＯとＡｌ_２Ｏ_３のモル比（以降、Ｃ／Ａモル比と称する）は、１．０以上３．０以下が好ましく、１．７以上２．５以下がより好ましい。Ｃ／Ａモル比が小さい１．０〜１．７の場合においても、セメントや消石灰及び生石灰等を配合することにより、硬化時間を短縮し、初期強度発現性を高めることが可能となる。

本発明のカルシウムアルミネート中に含まれるＣａＯやＡｌ_２Ｏ_３以外の他の成分は、１５％以下であることが初期強度発現性の点から好ましく、１０％以下であることが、より好ましい。１５％を超えると、硬化に時間を要し、更に低温環境下では固まらない場合がある。ＣａＯやＡｌ_２Ｏ_３以外の他の成分の代表例として二酸化ケイ素があり、その他に、例えば、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、酸化チタン、酸化鉄、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、アルカリ金属硫酸塩、及びアルカリ土類金属硫酸塩等があり、特に限定されるものでない。

非晶質カルシウムアルミネートのガラス化率は、７０％以上が好ましく、９０％以上がより好ましい。７０％未満であると、初期強度発現性が低下する場合がある。ガラス化率は加熱前のサンプルについて、粉末Ｘ線回折法により、結晶鉱物のメインピーク面積Ｓを予め測定し、その後１０００℃で２時間加熱後、１〜１０℃／分の冷却速度で徐冷し、粉末Ｘ線回折法による加熱後の結晶鉱物のメインピーク面積Ｓ_０を求め、更に、これらのＳ_０及びＳの値を用い、次の式を用いてガラス化率χを算出した。
ガラス化率χ（％）＝１００×（１−Ｓ／Ｓ_０）

カルシウムアルミネートの粒度は、初期強度発現性の面で、ブレーン比表面積値で、３０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましく、４０００ｃｍ^２／ｇ以上がより好ましい。ブレーン比表面積値が３０００ｃｍ^２／ｇ未満であると、初期強度発現性が低下する場合がある。

カルシウムアルミネートの使用量は、セメント１００部に対して、１部以上２０部以下が好ましく、２部以上１０部以下がより好ましい。カルシウムアルミネートの使用量が２０部を超えると硬化までの時間が短すぎて固化体内部への水の浸透が阻害される場合があり、１部未満であるとセメントへ均一に混合することが難しく、硬化不良となる場合があり好ましくない。

本発明に係る骨材は、通常使われている川砂、海砂、砕砂、珪砂、軽量骨材などが挙げられ、それらのうち１種又は２種以上を混合して使用することが可能であり、プレミックス製品として使用する際にはこれらの乾燥砂したものを使用することが好ましい。

本発明に係る骨材は、骨材の２．５ｍｍ以上の粒径が占める割合が３０％以上であることが好ましく、４０％以上９０％未満であることがより好ましい。骨材の２.５ｍｍ以上の粒径が占める割合が３０％未満であると、水の材料への浸透が阻害される場合がある。

本発明に係る骨材の使用量は、セメントとカルシウムアルミネートの合量１００部に対して、１００部以上５００部以下が好ましい。１００部未満であると、水の材料への浸透が阻害される場合があり、５００部を超えると強度不足が発生したり、作業性が損なわれたりする場合がある。

本発明に係るカルボン酸構造を持つ凝結調整剤とは、炭化水素（Ｃ_ｍＨ_ｎ）構造の一部が、カルボン酸もしくはカルボン酸塩によって置換された構造を有し、総分子量が１０００以下のものが好ましい。具体的には、クエン酸、酒石酸、コハク酸、乳酸、及びグルコン酸等が挙げられる。また、カルボン酸のアルカリ塩としては、ナトリウム塩、カリウム塩、及びカルシウム塩等が挙げられる。これらのうち、強度発現性の点から、酒石酸やクエン酸が好ましい。

本発明に係るカルボン酸構造を持つ凝結調整剤の使用量は、セメントとカルシウムアルミネートの合量１００部に対して、０．０５部以上２部以下が好ましい。０．０５部未満であると、水の材料への浸透が阻害される場合があり、２部を超えると強度不足が発生したり、作業性が損なわれたりする場合がある。

本発明に係るアルカリ金属無機塩である凝結調整剤とは、陽イオンがリチウム、ナトリウム、カリウムであり、陰イオンが水酸化物、塩化物、臭化物、炭酸、硝酸、亜硝酸、硫酸、酢酸である無機塩が該当し、これら一種又は二種以上が使用可能である。これらのうち、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、塩化リチウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、硝酸リチウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウムが、強度発現性の点から好ましい。

上記の凝結調整剤の使用量は、特に限定されるものではないが、セメントとカルシウムアルミネートの合量１００部に対して、０．０５部以上１部以下が好ましく、０．１部以上０．５部以下がより好ましい。セメント添加剤の使用量が、０．０５部未満、あるいは１部を超えると、本発明の効果が十分に得られない場合がある。

本発明に係る多糖類ガムとは、デュータンガム、ウェランガム、ラムザンガム、ゲランガム、キサンタンガム、アルギン酸ガム、カラゲーナンガム及びローカストビーンガム等があるが、デュータンガム、ウェランガムが好ましい。

本発明に係る多糖類ガムの使用量は、セメントとカルシウムアルミネートの合量１００部に対して、０．１部以上２部以下が好ましい。０．１部未満であると、混合不良の場合があり、２部を超えると作業性が悪化する場合がある。

本発明のセメント組成物では、セメント、カルシウムアルミネート、骨材及び凝結調整剤に加えて、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、本発明の目的を実質的に阻害しない範囲で併用することが可能である。

本発明のセメント組成物は、事前に一部あるいは全部を混合しておいても差し支えない。事前に混合するための混合装置としては、既存の混合装置が使用可能であり、例えば、傾胴ミキサ、オムニミキサ、ヘンシェルミキサ、Ｖ型ミキサ、プロシェアミキサ及びナウタミキサ等が使用可能である。

本発明の練混ぜ不要のセメント組成物の使用方法としては、対象箇所に充填し、必要に応じて散水することにより可能である。使用方法を具体的に示すと、路面や法面等の施工対象箇所に、本発明のセメント組成物中のセメントとカルシウムアルミネートの合量１００部に対して７０部以下の水を入れ、更に、セメント組成物を対象箇所に充填し、必要に応じてセメントとカルシウムアルミネートの合量１００部に対して、５部以上５０部以下の水を散水する。必ずしも本発明のセメント組成物に対して、上下両方の面から水を供給する必要はないが、材料の飛散や粉塵の発生を抑える等の理由から、両面から水を供給することが望ましい。なお、ポットホール等に一時的にもしくは恒久的に水が十分存在する場合は、本発明のセメント組成物を充填することで、散水することなく硬化させることができる。

以下、実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実験例１］
普通ポルトランドセメント１００部に対して、カルシウムアルミネート１０部、骨材４００質量部をナウタミキサで混合し、セメント組成物を調製した。
直径１０ｃｍ、高さ５０ｃｍの円筒容器に、水１００ｍｌを入れ、その上からセメント組成物１０００ｇを入れて、素早く表面を平らにし、水５０ｍｌをじょうろで散水し硬化させた。散水から３分経過したのちに、脱型し、直ちに圧縮強度と水の浸透割合を測定した。
圧縮強度：脱型後の硬化体の上下面を平滑にし、ＪＩＳＡ １１０８に準じて、圧縮試験を行った。
水の浸透割合：硬化体上下の中心部を通るように半分に切断し、水の浸透割合を下記式から算出した。
水の浸透割合（％）＝（（硬化体の直径―水の非浸透部の直径）／（硬化体の直径））×１００ ＝ （（１０―水の非浸透部の直径）／１０）×１００

＜使用材料＞
セメント：普通ポルトランドセメント、ブレーン比表面積３２１０ｃｍ^２／ｇ、デンカ社 製。
カルシウムアルミネート：Ｃ／Ａモル比で１．０〜３．０の範囲になるように石灰石とボーキサイトを原料にして調整し、電気炉で１７００℃１時間熱処理溶融後急冷し、ガラス化した（ガラス化率は全て９５％）。その後、粉砕し、ブレーン比表面積値３０００、４０００、５０００ｃｍ^２／ｇに調整した。
骨材：新潟県姫川産の川砂、比重２.６４を、粒度調整し、乾燥したもの。

表１より、本発明のセメント組成物を使用することにより、散水後３分以内に、練混ぜることなくセメント組成物内部に水が浸透し、形状保持させるために必要な強度を保持させることができることがわかる。

[実験例２]
凝結調整剤及び多糖類ガムを使用し、凝結調整剤及び多糖類ガムの使用量を表２に示すように変化したこと以外は実験例１の実験Ｎｏ．１−２と同様の試験を行った。結果を表２に示す。

＜使用材料＞
凝結調整剤１
L−酒石酸：関東化学株式会社
クエン酸：関東化学株式会社
凝結調整剤２
炭酸リチウム：関東化学株式会社
塩化ナトリウム：関東化学株式会社
硝酸カリウム：関東化学株式会社
硫酸カリウム：関東化学株式会社
多糖類ガム
ウェランガム：三栄源エフ・エフ・アイ株式会社
デュータンガム：三晶株式会社

表２より、本発明のセメント組成物に凝結調整剤及び多糖類ガムを併用することにより、性能を低下させることなく、水の浸透性を向上させると共に、凝結調整剤や多糖類ガムを無添加のものと同等もしくは高い圧縮強度を示すことがわかる。

本発明のセメント組成物を使用することにより、練混ぜ作業を必要とすることなく、散水から３分以内に、セメント組成物内部に水が浸透し、形状保持させるために必要な強度を保持させることができることがわかる。

[実験例３]
カルシウムアルミネートの使用量を変え、凝結調整剤を添加したこと以外は、実験例１実験Ｎｏ．１−２と同様の試験を行った。結果を表３に示す。

表３より、本発明のセメント組成物に含まれるカルシウムアルミネート量、凝結調整剤を調節することで、性能を低下させることなく、水の浸透性を向上させると共に、同等もしくは高い強度を示すことがわかる。

本発明のセメント組成物を使用することにより、練混ぜ作業を必要とすることなく、散水から３分以内に水が浸透し、形状保持可能な強度を提供することが可能となる。

Claims (7)

1. セメント、カルシウムアルミネート、及び骨材を含有することを特徴とする、練混ぜ不要のセメント組成物。
2. カルシウムアルミネートのＣａＯ／Ａｌ_２Ｏ_３モル比が、１．０以上３.０以下であることを特徴とする、請求項１に記載の練混ぜ不要のセメント組成物。
3. 骨材の２．５ｍｍ以上の粒径が占める割合が３０％以上であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の練混ぜ不要のセメント組成物。
4. 更に、カルボン酸構造を持つ凝結調整剤を含有することを特徴とする、請求項１〜３の練混ぜ不要のセメント組成物。
5. 更に、アルカリ金属無機塩である凝結調整剤を含有することを特徴とする、請求項１〜４の練混ぜ不要のセメント組成物。
6. 更に、多糖類ガムを含有することを特徴とする、請求項１〜５の練混ぜ不要のセメント組成物。
7. 請求項１〜６の練混ぜ不要のセメント組成物を、対象箇所に充填し、散水することを特徴とする練混ぜ不要のセメント組成物の使用方法。