JP2020175600A - 超緻密性セメント組成物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】繊維が均一に分散されていて、かつ、通気性が低い、より緻密な超緻密性セメント組成物を製造することを可能とした超緻密性セメント組成物の製造方法を提案する。【解決手段】セメントと、シリカフュームと、石灰石フィラーと、補強用繊維と、水と、減水剤と、消泡剤とを混合してなる超緻密性セメント組成物の製造方法である。補強用繊維の半量、セメント、シリカフュームおよび石灰石フィラーを空練りして粉体混合物を生成する第一混合工程と、粉体混合物に水、減水剤および消泡剤を投入して練り混ぜてセメント系マトリックスを生成する第二混合工程と、セメント系マトリックスに補強用繊維の残量を添加して混合する第三混合工程とを順に行う。【選択図】図１
Description
本発明は、超緻密性セメント組成物の製造方法に関する。
コンクリートやモルタルは、骨材をセメント等の結合材により凝固することで必要な強度および形状を有した硬化体を形成する。このうちコンクリートは、セメント等の結合材、水、粗骨材、細骨材および混和材等を混練してなる。一方、モルタルは、結合材、水、細骨材および混和材等を混練してなる。コンクリートおよびモルタルを構成する各材料の配合は、必要な強度やワーカビリティを確保できるように適宜決定する。
例えば、超高強度繊維補強コンクリート（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ：ＵＦＣ）は、高い強度、耐力およびじん性を確保することを目的として、水結合材比が低く、また、繊維を含有している（例えば、特許文献１参照）。超高強度繊維補強コンクリートまたは超高強度繊維補強モルタル（以下、単に「超緻密性セメント組成物」という）は、緻密で高い強度を発現することから、部材の小断面化を図ることが可能であるとともに止水性に優れた構造物を構築することができる。
例えば、超高強度繊維補強コンクリート（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ：ＵＦＣ）は、高い強度、耐力およびじん性を確保することを目的として、水結合材比が低く、また、繊維を含有している（例えば、特許文献１参照）。超高強度繊維補強コンクリートまたは超高強度繊維補強モルタル（以下、単に「超緻密性セメント組成物」という）は、緻密で高い強度を発現することから、部材の小断面化を図ることが可能であるとともに止水性に優れた構造物を構築することができる。
特許文献１に記載の超緻密性セメント組成物は、蒸気熱養生を必要としていたため、現地製造、施工には採用し難く、工場生産等によるプレキャスト部材に使用されるのが一般的であった。一方、超緻密性セメント組成物を現地製造することができれば、耐久性に優れた構造物を構築することや、部材の薄肉化による軽量化を図ることができる。
そのため、特許文献２には、セメントと、シリカフュームと、水と、減水剤と、消泡剤と、膨張材と、細骨材と、高張力繊維とを含むいわゆるモルタル組成物であって、常温養生のみで早期に高い圧縮強度を発現でき、かつ、自己収縮ひずみを低減できる超緻密性セメント組成物が開示されている。特許文献２のモルタル組成物は、まず、水、減水剤および高張力繊維以外の材料を混合した後、水および減水剤を添加してミキサーにより練り混ぜてモルタルを製造し、その後、製造されたモルタルに高張力繊維を添加してさらに練り混ぜることにより製造する。
そのため、特許文献２には、セメントと、シリカフュームと、水と、減水剤と、消泡剤と、膨張材と、細骨材と、高張力繊維とを含むいわゆるモルタル組成物であって、常温養生のみで早期に高い圧縮強度を発現でき、かつ、自己収縮ひずみを低減できる超緻密性セメント組成物が開示されている。特許文献２のモルタル組成物は、まず、水、減水剤および高張力繊維以外の材料を混合した後、水および減水剤を添加してミキサーにより練り混ぜてモルタルを製造し、その後、製造されたモルタルに高張力繊維を添加してさらに練り混ぜることにより製造する。
ところが、水結合材比が低い超緻密性セメント組成物中に骨材が含まれていると、水結合材比の管理が難しく、製造時の品質管理に手間がかかる。すなわち、骨材として乾燥した材料を使用すると、骨材が水分を吸収することでセメント系組成物中の水分が不足し、水和反応が不十分になるおそれがある。一方、骨材として、湿潤状態のものを使用すると、設計値よりも水分が増加することで必要な強度を確保できなくなるおそれがある。また、骨材が含まれていないセメントペースト中に繊維を添加すると、繊維が均等に分散されない恐れがある。そして、繊維の分散が不均一だと、緻密性が低下する恐れがある。
このような観点から、本発明は、繊維が均一に分散されていて、かつ、通気性が低い、より緻密な超緻密性セメント組成物を製造することを可能とした超緻密性セメント組成物の製造方法を提案することを課題とする。
前記課題を解決するための本発明は、１ｍ３当たり１０００ｋｇ以上添加されたセメントと、１ｍ３当たり９０ｋｇ以上添加されたシリカフュームと、１ｍ３当たり２８０ｋｇ以上添加された石灰石フィラーと、１ｍ３当たり３００ｋｇ〜４８０ｋｇ添加された補強用繊維と、前記セメント、前記シリカフュームおよび前記石灰石フィラーを含む結合材１００質量％に対して８質量％以上の割合で添加された水と、前記結合材１００質量％に対して０．３質量％以上の割合で添加された減水剤と、前記結合材１００質量％に対して０．１質量％以上の割合で添加された消泡剤とを混合してなる超緻密性セメント組成物の製造方法である。この超緻密性セメント組成物の製造方法は、前記補強用繊維の半量、前記セメント、前記シリカフュームおよび前記石灰石フィラーを空練りして粉体混合物を生成する第一混合工程と、前記粉体混合物に前記水、前記減水剤および前記消泡剤を投入して練り混ぜてセメント系マトリックスを生成する第二混合工程と、前記セメント系マトリックスに前記補強用繊維の残量を添加して混合する第三混合工程とを順に行う。
なお、前記補強用繊維は、直径が０．０５ｍｍ〜０．３０ｍｍの範囲内で、長さが０．０５ｍｍ〜２５ｍｍの範囲内であるのが望ましい。かかる超緻密性セメント組成物の製造方法によれば、補強用繊維を２回に分けて供給するため、材料中に繊維を均一に分散させることができる。すなわち、第一混合工程において、粉体混合物中に補強用繊維の半量を均等に分散させることができるため、第三混合工程において補強用繊維が均等に分散されたセメント系マトリックスに残りの分の補強用繊維を添加することで、新たに添加された補強用繊維を均等に分散させることができる。その結果、セメント系マトリックスを生成した後に補強用繊維を添加する場合に比べて、通気性が低く、かつ、繊維が均一に分散されたセメント組成物を製造することが可能となる。
本発明の超緻密性セメント組成物の製造方法によれば、より緻密な超緻密性セメント組成物を製造することを可能となる。
本発明の実施形態では、既設コンクリート構造物の補修工事（補強工事も含む）に使用するセメント系補修材（超緻密性セメント組成物）を製造するための、超緻密性セメント組成物の製造方法について説明する。
セメント系補修材は、少なくとも、セメント、シリカフューム、石灰石フィラーからなる結合材に、水、減水剤、消泡剤、チクソ剤および急硬材を添加したセメントペーストと、補強用繊維を混合してなる。すなわち、セメント系補修材は、骨材を含有しておらず、いわゆる繊維補強コンクリートや繊維補強モルタルではない。なお、セメントペーストには、必要に応じて、膨張材、凝結遅延剤、合成樹脂粉末、ポリマーエマルジョン、ポリマーディスパージョン等を添加してもよい。
セメントには、普通ポルトランドセメントを使用する。なお、セメントは、普通ポルトランドセメントに限定されるものではない。例えば、早期の強度発現を求める場合には、早強ポルトランドセメントまたは超早強ポルトランドセメントを使用することができる。セメントは、混合体（セメント系補修材）１ｍ３当たり１０００ｋｇ以上、好ましくは１０００〜１４００ｋｇの範囲内、より好ましくは１１００〜１３５０ｋｇの範囲内、さらにより好ましくは１２００〜１２８０ｋｇの範囲内でセメントを添加する。セメントの添加量が、混合体１ｍ３当たり１０００ｇｋ未満の場合は、十分な劣化因子の遮断性能を確保できなくなるおそれがある。
シリカフュームには、直径０．１〜０．２μｍ程度のガラス質シリカ球状の超微粒子粉末を使用する。なお、シリカフュームを構成する材料は限定されるものではない。シリカフュームは、硬化後のセメント系補修材の強度と耐久性の向上に寄与し、低水粉体比のコントロールにより、セメント系補修材の施工（混練時）の改善に有効である。シリカフュームは、混合体１ｍ３当たり９０ｋｇ以上、好ましくは９０〜２８０ｋｇの範囲内、より好ましくは１２０〜２５０ｋｇの範囲内、さらにより好ましくは１３０〜１８０ｋｇの範囲内で添加する。なお、シリカフュームはセメント１００質量％に対して５〜２０質量％の範囲内で添加するのが望ましい。ここで、シリカフュームの添加量が、混合体１ｍ３当たり９０ｋｇ未満だと、粘性および材料分離抵抗性が低下するとともに、所定の流動性が確保できなくなる。
石灰石フィラーには、密度が２．７〜２．８ｇ／ｃｍ３程度で、ＣａＯ（酸化カルシウム）成分が５０％以上の石灰石粉末を使用する。石灰石フィラーを添加することにより、セメント系補修材中の空隙が充填されて緻密性が向上し、かつ水和反応の促進による初期強度が向上し、なおかつブリーディングを防止することでひび割れが発生し難くなる。なお、石灰石フィラーとして添加する材料は限定されるものではなく、例えば、純度９５％以上で２００メッシュ（７４ミクロン）篩を８５％以上通過する重質炭酸カルシウムを使用してもよい。石灰石フィラーは、混合体１ｍ３当たり２８０ｋｇ以上、好ましくは２８０〜５８０ｋｇの範囲内、より好ましくは３４０〜５２０ｋｇの範囲内、さらにより好ましくは４００〜４６０ｋｇの範囲内で添加する。石灰石粉末は形状が良好であり、セメントペーストの流動性を改善する効果がある。また、石灰石フィラーは、セメントとシリカフュームの合計の１００質量％に対して２８〜３５質量％添加するのが望ましい。なお、石灰石フィラーの添加量が、混合体１ｍ３当たり２８０ｋｇ未満の場合は、打設時の適度な流動性を確保できないおそれがある。
水には水道水を使用する。なお、水は水道水に限定されるものではなく、例えば、河川水や地下水等を浄化したものを使用してもよい。水／結合材比は、流動性や分離抵抗性、硬化後の強度や耐久性から８質量％以上、好ましくは８〜３０質量％の範囲内とする。なお、水／結合材比が８質量％未満だと材料（セメント系補修材）を混練出来ないおそれがある。
減水剤には、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、メラニン系、ポリカルボン酸系、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤を用いることができる。減水剤の添加量は、流動性、分離抵抗性、硬化後の強度および緻密性を考慮して、セメント系補修材１００質量％に対して、０．３質量％以上、好ましくは０．３〜８．０質量％の範囲内とする。
消泡剤には、リン酸エステル系、シリコン系、ポリアルキレングリコール系、ポリオキシアルキレン系等が挙げられる。消泡材の添加量はセメント系補修材１００質量％に対して０．１質量％以上、好ましくは０．１〜３．０質量％の範囲内とする。
チクソ剤には、セルロース系遅延剤を使用する。なお、チクソ剤を構成する材料は、セメント系補修材のチクソトロピック性を向上させる効果が得られる材料であれば限定されるものではなく、例えば、アクリル系増粘剤やバイオポリマー系増粘剤等の他の増粘剤や、繊維または粉体等を使用してもよい。チクソ剤は、セメントペーストの容積に対して３０ｇ／ｍ３以上、好ましくは３０〜５０ｇ／ｍ３の割合で添加するのが望ましい。
急硬材（急硬性混和剤）には、例えば、カルシウムアルミネート、石膏等を主材としたものを使用することができる。急硬材の添加量は、予定された硬化時間、気温、季節等に応じて、セメントペーストの容積に対して５ｋｇ／ｍ３以上、好ましくは５〜２００ｋｇ／ｍ３の範囲内で適宜決定する。
補強用繊維には、直径が０．０５〜０．３ｍｍの範囲内、長さが０．０５〜２５ｍｍの範囲内の鋼繊維を使用する。なお、補強用繊維は、鋼繊維に限定されるものではなく、例えば、炭素繊維、アラミド繊維、ポリオレフィン繊維、ビニロン繊維等を使用してもよい。なお、補強用繊維は、長さが０．５〜１５ｍｍの短繊維と、長さが１０〜３０ｍｍの長繊維とを組み合わせて使用するなど、長さの異なる鋼繊維を組み合わせて使用してもよいし、同じ長さ（同等の長さ）の鋼繊維のみを使用してもよい。補強用繊維は、材料全体に対して、３００〜４８０ｋｇ／ｍ３の範囲内で添加する。短繊維と長繊維とを組み合わせて使用する場合には、短繊維と長繊維との割合が１：１であるのが望ましいが、短繊維と長繊維との割合は限定されるものではない。
セメント系補修材は、施工現場の作業ヤード内に設置したミキサーを利用して、打設のタイミングに合わせて製造する。本実施形態のセメント系補修材の製造方法は、は、図１に示すように、第一混合工程Ｓ１、第二混合工程Ｓ２、第三混合工程Ｓ３を備えている。セメント系補修材は、まず、セメント、シリカフューム、石灰石フィラーからなる結合材と、補強用繊維の半量とを２分以上攪拌混合（空練り）する（第一混合工程Ｓ１）。なお、空練りの時間は限定されるものではないが、２〜５分程度行えばよい。次に、水および液状混和剤（減水剤、消泡剤、チクソ剤および急硬材）を加えて１０分から２０分間混練（本練り）する（第二混合工程Ｓ２）。そして、補強用繊維の残量（半量）を加えて２分間混練（仕上げ練り）する（第三混合工程Ｓ３）。なお、仕上げ練りの時間は限定されるものではないが、好ましくは２〜５分程度行えばよい。
以上、本実施形態のセメント系補修材は、補強用繊維の半量を加えて空練りするため、予め粉体混合物中に補強繊維が均等に分散された状態でセメントマトリックスを生成することができる。そして、セメントマトリックス中に補強用繊維の半量が均等に分散された状態で、補強用繊維の残量（残りの半分）を投入して混錬するため、補強用繊維が偏り難くなり、材料中の補強用繊維が均等に分散された状態で練り上げることができる。すなわち、水および液状混和剤の投入前と投入後の２回に分けて補強用繊維を投入することで、硬化後の透気係数が小さく、かつ、材料分離性に優れるセメント系材料を製造することができる。
また、セメント系補修材は、骨材を含有していない、いわゆるセメントペーストであるため、水結合材比の管理がしやすい。そのため、現地において高品質に製造することができる。また、大掛かりなプラントを必要としないため、限られた作業スペースしか確保できない場所であっても、セメント系補修材の製造および打設が可能である。また、現地にて製造することで、外部から搬入する手間や費用を省略することができる。セメント系補修材は、骨材を含有していないため、補修材としての強度の管理（設計）がしやすい。すなわち、繊維補強コンクリートや繊維補強モルタルは、骨材部分とペースト部分で強度にばらつきが生じるおそれあるが、セメント系補修材は全体的に均一の品質を確保できる。また、骨材を含有していないため、狭隘部分であっても充填しやすい。
次に、本発明の超緻密性セメント組成物の製造方法により製造したセメント組成物の性能を確認するために実施した実験結果について説明する。実験は、粉体混合物を攪拌混合する空練り時に補強用繊維の半量を投入し、空練り後の材料に水や液状混和剤を添加して混錬する本練り後に補強用繊維の残量を投入して混錬したセメント組成物を利用する。セメント組成物により形成された硬化体の透気性およびセメント組成物中の補強用繊維の分散性について測定した。
（１）透気性
透気性の確認は、セメント組成物により形成した材齢３日の板状の試験体に対して、トレント法によるコンクリートの通気試験を行った。トレント法は、コンクリートの表面にチャンバーを設置して、チャンバー内を負圧にした際の内部の気圧の変化から透気係数を算出する試験法である。本実験では、図２に示すように、縦３０ｃｍ×横３０ｃｍ×厚２ｃｍの試験体１を形成し、試験体１の５つの測定箇所（試験体１の中央１ａ、左上１ｂ、右上１ｃ、左下１ｄおよび右下１ｅ）において、透気係数の測定を行った。試験は、図３に示すように、平置き状の型枠２（縦３０ｃｍ×横３０ｃｍ×深さ２ｃｍ）にセメント組成物を打設することより成形した試験体（実施例１−１）と、図４に示すように、縦置き状の型枠３（縦３０ｃｍ×横２ｃｍ×深さ３０ｃｍ）によりセメント組成物を打設することにより成形した試験体（実施例１−２）について、それぞれ行った。また、比較例として、空練り時に補強用繊維を投入せずに、本練りにより生成されたセメントマトリックスに補強用繊維を後から添加することにより製造されたセメント組成物に対して同様の試験（比較例１−１、比較例１−２）を行った。試験結果を表１に示す。
透気性の確認は、セメント組成物により形成した材齢３日の板状の試験体に対して、トレント法によるコンクリートの通気試験を行った。トレント法は、コンクリートの表面にチャンバーを設置して、チャンバー内を負圧にした際の内部の気圧の変化から透気係数を算出する試験法である。本実験では、図２に示すように、縦３０ｃｍ×横３０ｃｍ×厚２ｃｍの試験体１を形成し、試験体１の５つの測定箇所（試験体１の中央１ａ、左上１ｂ、右上１ｃ、左下１ｄおよび右下１ｅ）において、透気係数の測定を行った。試験は、図３に示すように、平置き状の型枠２（縦３０ｃｍ×横３０ｃｍ×深さ２ｃｍ）にセメント組成物を打設することより成形した試験体（実施例１−１）と、図４に示すように、縦置き状の型枠３（縦３０ｃｍ×横２ｃｍ×深さ３０ｃｍ）によりセメント組成物を打設することにより成形した試験体（実施例１−２）について、それぞれ行った。また、比較例として、空練り時に補強用繊維を投入せずに、本練りにより生成されたセメントマトリックスに補強用繊維を後から添加することにより製造されたセメント組成物に対して同様の試験（比較例１−１、比較例１−２）を行った。試験結果を表１に示す。
表１に示すように、平置き状の型枠２に対してセメント組成物を打設した場合の実施例１−１の平均値が０．００２７×１０−１６ｍ２に対して、比較例１−２の平均値は０．００５１×１０−１６ｍ２であった。また、縦置きの型枠３に対して打設した場合の実施例１−２の平均値が０．００５６×１０−１６ｍ２に対して、比較例１−２の平均値は０．０１２６×１０−１６ｍ２であった。したがって、空練り時に補強用繊維の半量を投入し、本練り後に補強用繊維の残りの半量を添加することによって、通気性が低い緻密なセメント組成物を製造することができることが確認できた。
（２）分散性
次に、本発明の超緻密性セメント組成物の製造方法により製造したセメント組成物からなる供試体の切断面４を写真撮影して、撮影された画像（図６参照）について、画像解析により補強用繊維が占める面積比率を算出した。本実験では、３つの供試体（実施例２−１，２−２，２−３）について、それぞれ分散性の測定を行った。また、分散性の測定（写真撮影）は、図５に示すように、各供試体の切断面４の５か所（左上４ａ、左下４ｂ、右下４ｃ、左上４ｄ、中央４ｅ）において行った。そして、各供試体の補強用繊維の面積の比率の平均値と標準偏差を算出した。また、比較例として、空練り時に補強用繊維を投入せずに、本練りにより生成されたセメントマトリックスに補強用繊維を後から添加することにより製造されたセメント組成物により三つの供試体（比較例２−１，２−２，２−３）を作成し、各供試体について、同様の試験を行った。試験結果を表２に示す。
次に、本発明の超緻密性セメント組成物の製造方法により製造したセメント組成物からなる供試体の切断面４を写真撮影して、撮影された画像（図６参照）について、画像解析により補強用繊維が占める面積比率を算出した。本実験では、３つの供試体（実施例２−１，２−２，２−３）について、それぞれ分散性の測定を行った。また、分散性の測定（写真撮影）は、図５に示すように、各供試体の切断面４の５か所（左上４ａ、左下４ｂ、右下４ｃ、左上４ｄ、中央４ｅ）において行った。そして、各供試体の補強用繊維の面積の比率の平均値と標準偏差を算出した。また、比較例として、空練り時に補強用繊維を投入せずに、本練りにより生成されたセメントマトリックスに補強用繊維を後から添加することにより製造されたセメント組成物により三つの供試体（比較例２−１，２−２，２−３）を作成し、各供試体について、同様の試験を行った。試験結果を表２に示す。
表２に示すように、実施例の標準偏差が２．５６に対し、比較例では１．３４であった。そのため、空練り時に補強用繊維の半量を投入し、本練り後に補強用繊維の残りの半量を添加することによって、補強用繊維が分散されていることが確認できた。
以上、本発明に係る実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
例えば、本発明の超緻密性セメント組成物の製造方法により製造される材料はセメント系補修材に限定されるものではなく、例えば、新設の構造物の被覆材として使用してもよい。また、セメント系補修材の用途は限定されるものではなく、例えば、道路、橋梁、港湾構造物、河川構造物（護岸や桟橋等）、地下構造物（トンネルやボックスカルバート等）、ダム等の補修に使用してもよい。
例えば、本発明の超緻密性セメント組成物の製造方法により製造される材料はセメント系補修材に限定されるものではなく、例えば、新設の構造物の被覆材として使用してもよい。また、セメント系補修材の用途は限定されるものではなく、例えば、道路、橋梁、港湾構造物、河川構造物（護岸や桟橋等）、地下構造物（トンネルやボックスカルバート等）、ダム等の補修に使用してもよい。
１ 試験体
２，３ 型枠
４ 切断面
Ｓ１ 第一混合工程
Ｓ２ 第二混合工程
Ｓ３ 第三混合工程
２，３ 型枠
４ 切断面
Ｓ１ 第一混合工程
Ｓ２ 第二混合工程
Ｓ３ 第三混合工程
Claims (2)
- １ｍ３当たり１０００ｋｇ以上添加されたセメントと、
１ｍ３当たり９０ｋｇ以上添加されたシリカフュームと、
１ｍ３当たり２８０ｋｇ以上添加された石灰石フィラーと、
１ｍ３当たり３００ｋｇ〜４８０ｋｇ添加された補強用繊維と、
前記セメント、前記シリカフュームおよび前記石灰石フィラーを含む結合材１００質量％に対して８質量％以上の割合で添加された水と、
前記結合材１００質量％に対して０．３質量％以上の割合で添加された減水剤と、
前記結合材１００質量％に対して０．１質量％以上の割合で添加された消泡剤と、を混合してなる超緻密性セメント組成物の製造方法であって、
前記補強用繊維の半量、前記セメント、前記シリカフュームおよび前記石灰石フィラーを空練りして粉体混合物を生成する第一混合工程と、
前記粉体混合物に前記水、前記減水剤および前記消泡剤を投入して練り混ぜてセメント系マトリックスを生成する第二混合工程と、
前記セメント系マトリックスに前記補強用繊維の残量を添加して混合する第三混合工程とを順に行うことを特徴とする、超緻密性セメント組成物の製造方法。 - 前記補強用繊維の直径が０．０５ｍｍ〜０．３０ｍｍの範囲内で、当該補強用繊維の長さが０．０５ｍｍ〜２５ｍｍの範囲内であることを特徴とする、請求項１に記載の超緻密性セメント組成物の製造方法。
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-
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