JP2021059474A - モルタル・コンクリート用混和材、水硬性組成物、セメント組成物及びコンクリート - Google Patents
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Abstract
【課題】圧縮強度やフレッシュ性状などの基礎的な性能を損なうことなく、塩化物浸透抵抗性に優れるモルタル・コンクリートを得ることが可能な、モルタル・コンクリート用混和材を提供すること。【解決手段】シリカフューム、メタカオリン及び無水石膏を含むモルタル・コンクリート用混和材であって、モルタル・コンクリート用混和材１００質量部中の、シリカフュームの含有量が２０〜５０質量部であり、メタカオリンの含有量が２０〜５０質量部であり、無水石膏の含有量が５〜３５質量部であり、メタカオリン１００質量部中の非晶質の含有量が８０質量部以上である、モルタル・コンクリート用混和材。【選択図】なし
Description
本発明は、モルタル・コンクリート用混和材に関する。また本発明は、該混和材を含む水硬性組成物、セメント組成物及びコンクリートに関する。
近年、国や地方自治体の財政逼迫、インフラの安定的な供用などの観点から、鉄筋コンクリート（ＲＣ）構造物の長寿命化の必要性が高まっている。ＲＣ構造物の経年劣化の主たる要因の一つとして、塩害が挙げられる。塩害による劣化は、劣化因子である塩化物イオンがコンクリート中に浸透し、鉄筋腐食を促進させることでＲＣ構造物の性能を低下させるものである。
塩化物イオンの浸透に対する抵抗性の高い、高耐久のコンクリートを製造するためには、混和材を添加する方法がよく知られている。一般的には、ポゾラン反応性を有するもの、潜在水硬性を有するもの等が選択されており、具体的には高炉スラグ微粉末、フライアッシュ、火山灰、珪酸白土等が挙げられる。上記以外の混和材としては、例えばシリカフュームが挙げられる。シリカフュームはＳｉＯ２を主成分とする微粒子である。
その他の混和材としては、例えばメタカオリンが挙げられる。メタカオリンはＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３を主成分とする微粒子である。非特許文献１では、流動性の高い高強度コンクリートにシリカフューム及びメタカオリンを適用し、流動性や圧縮強度特性について検討を行っている。同文献は、メタカオリンのＸ回折分析を行った結果、鉱物としてクオーツ（Ｑｕａｒｔｚ）とマイカ（Ｍｉｃａ）が含まれていることを報告している。非特許文献２では、メタカオリンを含有する人工ポゾランを高炉スラグ微粉末と併用した場合に、高炉セメントと比べ、塩化物浸透抵抗性や圧縮強度の向上がみられることが報告されており、そのメカニズムは、コンクリート組成物が緻密化するためとされている。
また、セメントには、その硬化速度を調整する（急激な硬化を防ぐ）ことを目的として、製造工程において石膏が添加されている。非特許文献３では、普通ポルトランドセメントに対して二水石膏を内割で５〜１０％程度置換した場合、フリーデル氏塩として固定化される塩化物イオンの量が減少したことが報告されている。非特許文献４では、普通ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末を併用した場合に、高炉スラグ微粉末と二水石膏の合計量に対する二水石膏の割合が増加すると、高炉スラグ微粉末による塩化物イオンの固定量が減少することにつき、フリーデル氏塩による固定量の減少が主要因と考えられることが報告されている。
一方、特許文献１には、混和材としてシリカフュームとメタカオリンとを組み合わせて使用した場合、それぞれを単独で等量使用する場合よりも塩化物浸透抵抗性が高くなることが記載されている。
安台浩、金炳基、「高性能減水剤によるメタカオリンコンクリートの特性」、コンクリート工学年次論文集、Ｖｏｌ．２８、Ｎｏ．１、ｐｐ．１９１−１９６、２００６
江口康平、武若耕司、山口明伸、久徳貢大、「高炉セメントコンクリートの高耐久化を目指した人工ポゾランの品質改善効果」、コンクリート工学年次論文集、Ｖｏｌ．３３、Ｎｏ．１、ｐｐ．７６１−７６６、２０１１
石田哲也、宮原茂禎、丸屋剛「ポルトランドセメントおよび混和材を使用したモルタルの塩素固定化特性」、土木学会論文集Ｅ、Ｖｏｌ．６３、Ｎｏ．１、ｐｐ．１４−２６、２００７
加藤弘義、宮川豊章、中村明則、土井宏行「高炉スラグ微粉末を使用したモルタル中の塩化物イオンの挙動と鉄筋腐食に与えるセッコウの影響」、土木学会論文集、Ｎｏ．７４６／Ｖ−６１、ｐｐ．１−１２、２００３
しかしながら、ＲＣ構造物の長寿命化によるライフサイクルコストの更なる低減を目指すためには、圧縮強度等の基礎的な性能を損なわずに、塩化物浸透抵抗性を更に向上させる最適な組み合わせで混和材を用いることが必要とされる。
本発明は、圧縮強度やフレッシュ性状などの基礎的な性能を損なうことなく、塩化物浸透抵抗性に優れるモルタル・コンクリートを得ることが可能な、モルタル・コンクリート用混和材を提供することを目的とする。本発明はまた、該混和材を含む水硬性組成物、セメント組成物及びコンクリートを提供することを目的とする。
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、セメントの一部を置換する混和材として、少なくともシリカフューム、メタカオリン及び無水石膏を組み合わせて用いることが上記目的の達成に有用であることを見出した。その上で、特定の鉱物組成を有するメタカオリンを使用し、さらに各成分を特定の混合比率で混合することで、従来技術よりも優れた性能を発現することを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、シリカフューム、メタカオリン及び無水石膏を含むモルタル・コンクリート用混和材であって、モルタル・コンクリート用混和材１００質量部中の、シリカフュームの含有量が２０〜５０質量部であり、メタカオリンの含有量が２０〜５０質量部であり、無水石膏の含有量が５〜３５質量部であり、メタカオリン１００質量部中の非晶質の含有量が８０質量部以上である、モルタル・コンクリート用混和材を提供する。このような混和材をセメントの一部に置換して使用することで、圧縮強度やフレッシュ性状などの基礎的な性能を損なうことなく、塩化物浸透抵抗性に非常に優れたセメント組成物及びコンクリートを得ることができる。
本発明の効果をより安定的且つより高水準に達成する観点から、メタカオリン１００質量部中のムライトの含有量が５質量部以下であり、且つカオリナイトの含有量が０．０１質量部以上であることが好ましい。
本発明の効果をより安定的且つより高水準に達成する観点から、無水石膏１００質量部中のＳＯ３の含有量が５４〜６０質量部であり、且つＣａＯの含有量が３９〜４４質量部であり、無水石膏のブレーン比表面積が３８００〜５１００ｃｍ２／ｇであることが好ましい。
本発明は、また、上記のモルタル・コンクリート用混和材及び結合材を含む水硬性組成物であって、結合材がセメントを含み、結合材１００質量部に対して、シリカフュームを１〜１２質量部含み、メタカオリンを１〜１２質量部含み、且つ無水石膏を０．２〜９質量部含む、水硬性組成物を提供する。
本発明は、また、塩化物浸透抵抗性に優れるセメント組成物を提供する。すなわち、本発明は、上記の水硬性組成物、水、細骨材及び化学混和剤を含む、セメント組成物を提供する。
本発明は、また、塩化物浸透抵抗性に優れるコンクリートを提供する。すなわち、本発明は、上記のセメント組成物及び粗骨材を含むコンクリートであって、コンクリート１ｍ３中に、結合材を２００〜７００ｋｇ、水を１３０〜２００ｋｇ、シリカフュームを５〜３５ｋｇ、メタカオリンを５〜３５ｋｇ、無水石膏を２〜２５ｋｇ、細骨材を５００〜１５００ｋｇ、及び粗骨材を５００〜１５００ｋｇ含む、コンクリートを提供する。
本発明によれば、圧縮強度やフレッシュ性状などの基礎的な性能を損なうことなく、塩化物浸透抵抗性に優れるモルタル・コンクリートを得ることが可能な、モルタル・コンクリート用混和材を提供することができる。また、本発明によれば、該混和材を含む水硬性組成物、セメント組成物及びコンクリートを提供することができる。本発明のモルタル・コンクリート用混和材を用いることで、圧縮強度発現性及び塩化物浸透抵抗性を高水準に達成できるセメント組成物及びコンクリートが提供される。
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
＜モルタル・コンクリート用混和材＞
本実施形態に係るモルタル・コンクリート用混和材は、シリカフュームと、メタカオリンと、無水石膏とを含む。
本実施形態に係るモルタル・コンクリート用混和材は、シリカフュームと、メタカオリンと、無水石膏とを含む。
（シリカフューム）
シリカフュームは、金属シリコン、フェロシリコン、電融ジルコニア等を製造する際に発生する、排ガス中のダストを集塵して得られる副産物である。シリカフュームの主成分は、アルカリ溶液中で溶解する非晶質のＳｉＯ２であり、その含有量は９０〜９８質量％程度である。このようなシリカフュームを用いることで、モルタル及びコンクリートにおける高い圧縮強度、高い引張強度及び高い流動性を確保できる。
シリカフュームは、金属シリコン、フェロシリコン、電融ジルコニア等を製造する際に発生する、排ガス中のダストを集塵して得られる副産物である。シリカフュームの主成分は、アルカリ溶液中で溶解する非晶質のＳｉＯ２であり、その含有量は９０〜９８質量％程度である。このようなシリカフュームを用いることで、モルタル及びコンクリートにおける高い圧縮強度、高い引張強度及び高い流動性を確保できる。
シリカフュームのブレーン比表面積を特に限定するものではないが、マイクロフィラー効果及び反応性向上と、流動性確保の観点から、好ましくは１００００〜３００００ｃｍ２／ｇであり、より好ましくは１１０００〜２８０００ｃｍ２／ｇであり、更に好ましくは１２０００〜２６０００ｃｍ２／ｇであり、特に好ましくは１３０００〜２４０００ｃｍ２／ｇである。同様の観点から、シリカフュームのＢＥＴ比表面積は、好ましくは５００００〜２５００００ｃｍ２／ｇであり、より好ましくは１０００００〜２４００００ｃｍ２／ｇであり、更に好ましくは１２００００〜２３００００ｃｍ２／ｇであり、特に好ましくは１４００００〜２２００００ｃｍ２／ｇである。
（メタカオリン）
メタカオリンは、カオリン鉱物をか焼することによって得られる非晶質性の粉末である。メタカオリンの主成分は、ＳｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３である。メタカオリンにおけるＳｉＯ２の含有量を特に限定するものではないが、好ましくは４０〜６０質量％であり、より好ましくは４９〜５４質量％である。メタカオリンにおけるＡｌ２Ｏ３の含有量は好ましくは４０〜５０質量％であり、より好ましくは４２〜４７質量％である。メタカオリンはＳｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３以外の成分として、微量のＦｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２などの微量成分を含有する。このようなメタカオリンを用いることで、モルタル及びコンクリートにおける高い圧縮強度、高い引張強度及び高い流動性を確保できる。
メタカオリンは、カオリン鉱物をか焼することによって得られる非晶質性の粉末である。メタカオリンの主成分は、ＳｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３である。メタカオリンにおけるＳｉＯ２の含有量を特に限定するものではないが、好ましくは４０〜６０質量％であり、より好ましくは４９〜５４質量％である。メタカオリンにおけるＡｌ２Ｏ３の含有量は好ましくは４０〜５０質量％であり、より好ましくは４２〜４７質量％である。メタカオリンはＳｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３以外の成分として、微量のＦｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２などの微量成分を含有する。このようなメタカオリンを用いることで、モルタル及びコンクリートにおける高い圧縮強度、高い引張強度及び高い流動性を確保できる。
メタカオリンのブレーン比表面積を特に限定するものではないが、マイクロフィラー効果及び反応性向上と、流動性確保の観点から、好ましくは１５０００〜４００００ｃｍ２／ｇであり、より好ましくは１９０００〜３８０００ｃｍ２／ｇであり、更に好ましくは２３０００〜３５０００ｃｍ２／ｇであり、特に好ましくは２５０００〜３３０００ｃｍ２／ｇである。同様の観点から、メタカオリンのＢＥＴ比表面積は、好ましくは５００００〜２５００００ｃｍ２／ｇであり、より好ましくは８００００〜２０００００ｃｍ２／ｇであり、更に好ましくは１０００００〜１８００００ｃｍ２／ｇであり、特に好ましくは１２００００〜１５００００ｃｍ２／ｇである。
（ムライト）
ムライト（Ｍｕｌｌｉｔｅ）は、カオリン鉱物を高温焼成することで生成される結晶質鉱物である。ポゾラン反応性材料は、一般に結晶性が低いほど反応性が高く、硬化物の緻密化に貢献すると考えられる。優れた塩化物浸透抵抗性を得るためにはメタカオリン原料の焼成工程で生成する結晶性のムライト量が少ないことが効果的である。ただし、工業的にムライト量が０質量部である必要はなく、少量含まれていてもよい。メタカオリン１００質量部中のムライトの量は、５質量部以下であり、好ましくは４質量部以下であり、より好ましくは３質量部以下であり、更に好ましくは２質量部以下である。
ムライト（Ｍｕｌｌｉｔｅ）は、カオリン鉱物を高温焼成することで生成される結晶質鉱物である。ポゾラン反応性材料は、一般に結晶性が低いほど反応性が高く、硬化物の緻密化に貢献すると考えられる。優れた塩化物浸透抵抗性を得るためにはメタカオリン原料の焼成工程で生成する結晶性のムライト量が少ないことが効果的である。ただし、工業的にムライト量が０質量部である必要はなく、少量含まれていてもよい。メタカオリン１００質量部中のムライトの量は、５質量部以下であり、好ましくは４質量部以下であり、より好ましくは３質量部以下であり、更に好ましくは２質量部以下である。
（カオリナイト）
カオリナイト（Ｋａｏｌｉｎｉｔｅ）は、カオリン鉱物の１つであり、粘土鉱物の中では膨潤性の低い鉱物として知られている。カオリナイトの多くはメタカオリン原料の焼成工程でメタカオリンへと転移するが、コンクリート中に微量に含まれると、その膨潤性による硬化物の緻密化により、またそのイオン交換能により、塩化物浸透抵抗性の向上が期待できる。カオリナイト量が多過ぎると、反応性が低下するほか、コンクリートの流動性に悪影響を及ぼすと考えられる。メタカオリン１００質量部中のカオリナイトの量は、０．０１質量部以上であり、好ましくは０．０５質量部以上であり、より好ましくは０．２〜３質量部であり、更に好ましくは０．３〜１質量部であり、特に好ましくは０．５〜１質量部であり、最も好ましくは０．７〜０．９質量部である。
カオリナイト（Ｋａｏｌｉｎｉｔｅ）は、カオリン鉱物の１つであり、粘土鉱物の中では膨潤性の低い鉱物として知られている。カオリナイトの多くはメタカオリン原料の焼成工程でメタカオリンへと転移するが、コンクリート中に微量に含まれると、その膨潤性による硬化物の緻密化により、またそのイオン交換能により、塩化物浸透抵抗性の向上が期待できる。カオリナイト量が多過ぎると、反応性が低下するほか、コンクリートの流動性に悪影響を及ぼすと考えられる。メタカオリン１００質量部中のカオリナイトの量は、０．０１質量部以上であり、好ましくは０．０５質量部以上であり、より好ましくは０．２〜３質量部であり、更に好ましくは０．３〜１質量部であり、特に好ましくは０．５〜１質量部であり、最も好ましくは０．７〜０．９質量部である。
（その他の鉱物）
メタカオリン中に含まれていてもよいその他の鉱物としては、ルチル（Ｒｕｔｉｌｅ）、クオーツ（Ｑｕａｒｔｚ）、γ−アルミナ（Ａｌｕｍｉｎａ ｇａｍｍａ）、マスコバイト（Ｍｕｓｃｏｖｉｔｅ）、アナターゼ（Ａｎａｔａｓｅ）等が挙げられる。塩化物浸透抵抗性の観点から、メタカオリン１００質量部中のそれぞれの鉱物の量は、以下のとおりとすることができる。
ルチル：好ましくは０．０５〜０．５質量部であり、より好ましくは０．１〜０．４質量部であり、更に好ましくは０．１５〜０．３質量部である。
クオーツ：好ましくは０．３〜２質量部であり、より好ましくは０．３〜１．５質量部であり、更に好ましくは０．５〜０．７５質量部である。
γ−アルミナ：好ましくは０〜５質量部であり、より好ましくは０〜３質量部であり、更に好ましくは０〜２質量部である。
マスコバイト：好ましくは０．５〜４質量部であり、より好ましくは０．７５〜２質量部であり、更に好ましくは１〜１．５質量部である。
アナターゼ：好ましくは０．３〜２質量部であり、より好ましくは０．５〜１．５質量部であり、更に好ましくは０．６〜１質量部である。
メタカオリン中に含まれていてもよいその他の鉱物としては、ルチル（Ｒｕｔｉｌｅ）、クオーツ（Ｑｕａｒｔｚ）、γ−アルミナ（Ａｌｕｍｉｎａ ｇａｍｍａ）、マスコバイト（Ｍｕｓｃｏｖｉｔｅ）、アナターゼ（Ａｎａｔａｓｅ）等が挙げられる。塩化物浸透抵抗性の観点から、メタカオリン１００質量部中のそれぞれの鉱物の量は、以下のとおりとすることができる。
ルチル：好ましくは０．０５〜０．５質量部であり、より好ましくは０．１〜０．４質量部であり、更に好ましくは０．１５〜０．３質量部である。
クオーツ：好ましくは０．３〜２質量部であり、より好ましくは０．３〜１．５質量部であり、更に好ましくは０．５〜０．７５質量部である。
γ−アルミナ：好ましくは０〜５質量部であり、より好ましくは０〜３質量部であり、更に好ましくは０〜２質量部である。
マスコバイト：好ましくは０．５〜４質量部であり、より好ましくは０．７５〜２質量部であり、更に好ましくは１〜１．５質量部である。
アナターゼ：好ましくは０．３〜２質量部であり、より好ましくは０．５〜１．５質量部であり、更に好ましくは０．６〜１質量部である。
（非晶質）
非晶質とは、結晶のように原子や分子が規則正しい構造をもたず、不規則な配列をしている固体であり、アモルファスとも呼ばれる。一般に結晶性の高い物質は安定しており、化学反応性が低い。非晶質量が多ければ反応性が高く、硬化物の緻密化に貢献するため、優れた塩化物浸透抵抗性を得るためにはメタカオリン中の非晶質量が多いことが効果的である。メタカオリン１００質量部中の非晶質の量は、８０質量部以上であり、好ましくは８５〜９９質量部であり、より好ましくは９０〜９８質量部であり、更に好ましくは９５〜９７質量部である。
非晶質とは、結晶のように原子や分子が規則正しい構造をもたず、不規則な配列をしている固体であり、アモルファスとも呼ばれる。一般に結晶性の高い物質は安定しており、化学反応性が低い。非晶質量が多ければ反応性が高く、硬化物の緻密化に貢献するため、優れた塩化物浸透抵抗性を得るためにはメタカオリン中の非晶質量が多いことが効果的である。メタカオリン１００質量部中の非晶質の量は、８０質量部以上であり、好ましくは８５〜９９質量部であり、より好ましくは９０〜９８質量部であり、更に好ましくは９５〜９７質量部である。
（無水石膏）
無水石膏としては、天然無水石膏、フッ酸無水石膏などを使用できる。無水石膏１００質量部中のＳＯ３の含有量は５４〜６０質量部であり、ＣａＯの含有量は３９〜４４質量部であることが好ましいが、より好ましくはＳＯ３の含有量が５５〜５９質量部であり、ＣａＯの含有量が３９〜４３質量部であり、更に好ましくはＳＯ３の含有量が５６〜５８質量部であり、ＣａＯの含有量が４０〜４２質量部である。
無水石膏としては、天然無水石膏、フッ酸無水石膏などを使用できる。無水石膏１００質量部中のＳＯ３の含有量は５４〜６０質量部であり、ＣａＯの含有量は３９〜４４質量部であることが好ましいが、より好ましくはＳＯ３の含有量が５５〜５９質量部であり、ＣａＯの含有量が３９〜４３質量部であり、更に好ましくはＳＯ３の含有量が５６〜５８質量部であり、ＣａＯの含有量が４０〜４２質量部である。
反応性向上及び流動性確保の観点から、無水石膏のブレーン比表面積は、３８００〜５１００ｃｍ２／ｇであることが好ましいが、より好ましくは４０００〜４９００ｃｍ２／ｇであり、更に好ましくは４２００〜４７００ｃｍ２／ｇ、特に好ましくは４２００〜４５００ｃｍ２／ｇである。
本実施形態に係るモルタル・コンクリート用混和材において、混和材中に含まれる反応性の高いＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ及びＳＯ３の量的なバランスをとる観点から、モルタル・コンクリート用混和材１００質量部中の、シリカフューム、メタカオリン及び無水石膏の含有量はそれぞれ以下のように調整される。
シリカフュームの含有量は２０〜５０質量部であるが、好ましくは３０〜４８質量部であり、より好ましくは３５〜４７質量部であり、更に好ましくは４０〜４６質量部であり、特に好ましくは４２〜４６質量部である。
メタカオリンの含有量は２０〜５０質量部であるが、好ましくは３０〜４８質量部であり、より好ましくは３５〜４７質量部であり、更に好ましくは４０〜４６質量部であり、特に好ましくは４２〜４６質量部である。
無水石膏の含有量は５〜３５質量部であるが、好ましくは７〜３３質量部であり、より好ましくは８〜３０質量部であり、更に好ましくは９〜２０質量部であり、特に好ましくは１０〜１５質量部である。
メタカオリンの含有量は２０〜５０質量部であるが、好ましくは３０〜４８質量部であり、より好ましくは３５〜４７質量部であり、更に好ましくは４０〜４６質量部であり、特に好ましくは４２〜４６質量部である。
無水石膏の含有量は５〜３５質量部であるが、好ましくは７〜３３質量部であり、より好ましくは８〜３０質量部であり、更に好ましくは９〜２０質量部であり、特に好ましくは１０〜１５質量部である。
＜水硬性組成物＞
本実施形態に係る水硬性組成物は、上記のモルタル・コンクリート用混和材と、結合材とを含む。
本実施形態に係る水硬性組成物は、上記のモルタル・コンクリート用混和材と、結合材とを含む。
（結合材）
結合材はセメントを含む。セメントとして、ポルトランドセメント、高炉セメントが挙げられる。ポルトランドセメントとしては、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント及び耐硫酸塩ポルトランドセメントが挙げられる。これらのうち一種を単独で使用してもよく二種以上を組み合わせて使用してもよい。また、高炉スラグ微粉末、石灰石微粉末等を適時セメントに加えて使用しても良い。
結合材はセメントを含む。セメントとして、ポルトランドセメント、高炉セメントが挙げられる。ポルトランドセメントとしては、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント及び耐硫酸塩ポルトランドセメントが挙げられる。これらのうち一種を単独で使用してもよく二種以上を組み合わせて使用してもよい。また、高炉スラグ微粉末、石灰石微粉末等を適時セメントに加えて使用しても良い。
ポルトランドセメントのブレーン比表面積は、好ましくは２５００〜４８００ｃｍ２／ｇ、より好ましくは２８００〜４０００ｃｍ２／ｇ、更に好ましくは３０００〜３６００ｃｍ２／ｇ、特に好ましくは３２００〜３５００ｃｍ２／ｇである。ポルトランドセメントのブレーン比表面積が２５００ｃｍ２／ｇ未満では、モルタル硬化物及びコンクリート硬化物の強度が低くなる傾向にあり、４８００ｃｍ２／ｇを超えると低水セメント比での流動性が低下する傾向にある。
本実施形態に係る水硬性組成物において、上記結合材１００質量部に対するシリカフュームの量及びメタカオリンの量は、それぞれ１〜１２質量部であり、好ましくは２〜１１質量部であり、より好ましくは３〜１０質量部であり、更に好ましくは３〜７質量部である。シリカフュームの含有量及びメタカオリンの含有量がそれぞれ１質量部未満であると、塩化物浸透抵抗性及び圧縮強度の向上効果が弱まる傾向にあり、含有量がそれぞれ１２質量部を超えると、所定のフレッシュ性状の確保（流動性、空気量等）が難しくなる傾向にある。
本実施形態に係る水硬性組成物において、上記結合材１００質量部に対する無水石膏の量は、それぞれ０．２〜９質量部であり、好ましくは０．３〜８質量部であり、より好ましくは０．４〜７質量部であり、更に好ましくは０．５〜６質量部である。無水石膏の含有量が０．２質量部未満の場合又は９質量部を超える場合、塩化物浸透抵抗性の向上効果が弱まる傾向にある。
＜セメント組成物＞
本実施形態に係るセメント組成物は、上記の水硬性組成物と、水と、細骨材と、化学混和剤とを含む。
本実施形態に係るセメント組成物は、上記の水硬性組成物と、水と、細骨材と、化学混和剤とを含む。
（水）
水として、水道水、蒸留水又は脱イオン水などを使用すればよい。水と結合材の質量比（水／結合材）は好ましくは０．２１〜０．７０であり、より好ましくは０．２３〜０．６８であり、更に好ましくは０．２５〜０．６６であり、特に好ましくは０．２７〜０．６３である。この質量比が０．２１未満であると、所定のフレッシュ性状（流動性、空気量等）や成形性の確保が難しくなる傾向にあり、０．７０を超えると、圧縮強度や耐久性が低下する傾向にある。
水として、水道水、蒸留水又は脱イオン水などを使用すればよい。水と結合材の質量比（水／結合材）は好ましくは０．２１〜０．７０であり、より好ましくは０．２３〜０．６８であり、更に好ましくは０．２５〜０．６６であり、特に好ましくは０．２７〜０．６３である。この質量比が０．２１未満であると、所定のフレッシュ性状（流動性、空気量等）や成形性の確保が難しくなる傾向にあり、０．７０を超えると、圧縮強度や耐久性が低下する傾向にある。
本実施形態に係るセメント組成物において、水と水硬性組成物の質量比（水／水硬性組成物）は好ましくは０．３０〜０．６５であり、より好ましくは０．３０〜０．６３であり、更に好ましくは０．３０〜０．６０であり、特に好ましくは０．３０〜０．５５である。この比が０．６５を超えると、圧縮強度や耐久性が低下する傾向にある。
（細骨材）
細骨材として、川砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂、石灰石骨材、高炉スラグ細骨材、銅スラグ細骨材、電気炉酸化スラグ細骨材等を併用することができる。細骨材は、モルタルスラリーの流動性の観点から、粒径０．１５ｍｍ以下の粒群を、好ましくは７０〜９８質量％、より好ましくは７２〜９７質量％、更に好ましくは７５〜９６質量％含む。細骨材は、粒径０．１５ｍｍ以下の粒群を上記範囲で含むとともに、粒径０．０７５ｍｍ以下の粒群を、好ましくは１６〜８０質量％、より好ましくは２０〜７５質量％、更に好ましくは２５〜７０質量％含む。なお、微粒分の調製方法は、特に限定されないが、例えば、２種類以上の粒度の異なる細骨材を混ぜ合わせることによって調製可能である。
細骨材として、川砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂、石灰石骨材、高炉スラグ細骨材、銅スラグ細骨材、電気炉酸化スラグ細骨材等を併用することができる。細骨材は、モルタルスラリーの流動性の観点から、粒径０．１５ｍｍ以下の粒群を、好ましくは７０〜９８質量％、より好ましくは７２〜９７質量％、更に好ましくは７５〜９６質量％含む。細骨材は、粒径０．１５ｍｍ以下の粒群を上記範囲で含むとともに、粒径０．０７５ｍｍ以下の粒群を、好ましくは１６〜８０質量％、より好ましくは２０〜７５質量％、更に好ましくは２５〜７０質量％含む。なお、微粒分の調製方法は、特に限定されないが、例えば、２種類以上の粒度の異なる細骨材を混ぜ合わせることによって調製可能である。
（化学混和剤）
化学混和剤としては、減水剤、ＡＥ剤、消泡剤、収縮低減剤、凝結促進剤、凝結遅延剤、増粘剤、空気量調整剤などが挙げられる。求められる性能に応じてこれらのうち、一種を単独で使用してもよいし、複数を組み合わせて使用してもよい。
化学混和剤としては、減水剤、ＡＥ剤、消泡剤、収縮低減剤、凝結促進剤、凝結遅延剤、増粘剤、空気量調整剤などが挙げられる。求められる性能に応じてこれらのうち、一種を単独で使用してもよいし、複数を組み合わせて使用してもよい。
上記減水剤としては、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、アミノスルホン酸系、ポリカルボン酸系の減水剤、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤等を使用することができる。低水セメント比での流動性確保の観点から、減水剤として、ポリカルボン酸系の減水剤、高性能減水剤又は高性能ＡＥ減水剤を用いることが好ましく、ポリカルボン酸系の高性能減水剤を用いることがより好ましい。本実施形態に係るセメント組成物における減水剤の配合量は、水硬性組成物の合計量１００質量部に対して好ましくは０．５〜２質量部、より好ましくは０．５〜１．５質量部、更に好ましくは０．５〜１質量部である。
上記消泡剤としては、特殊非イオン配合型界面活性剤、ポリアルキレン誘導体、疎水性シリカ、ポリエーテル系等が挙げられる。本実施形態に係るセメント組成物における消泡剤の配合量は、水硬性組成物の合計量１００質量部に対して好ましくは０．００２〜０．１質量部、より好ましくは０．００３〜０．０８質量部、更に好ましくは０．００４〜０．０７質量部、特に好ましくは０．００５〜０．０６質量部である。
上記の組成からなるセメント組成物は、建築材料としてそのまま好適に使用でき、またセメント組成物と粗骨材とを混合してなるコンクリートとしても好適に使用できる。以下、かかるコンクリートについて説明する。
＜コンクリート＞
本実施形態に係るコンクリートは、上記のセメント組成物と、粗骨材を含む。上記本実施形態に係るセメント組成物に、粗骨材を適量組み合わせることにより、コンクリートを調製することできる。組み合わせる粗骨材の量及び水の量は、目標圧縮強度、じん性、及び目標スランプに応じて適宜変えればよい。
本実施形態に係るコンクリートは、上記のセメント組成物と、粗骨材を含む。上記本実施形態に係るセメント組成物に、粗骨材を適量組み合わせることにより、コンクリートを調製することできる。組み合わせる粗骨材の量及び水の量は、目標圧縮強度、じん性、及び目標スランプに応じて適宜変えればよい。
（粗骨材）
粗骨材としては、例えば、砂利、砕石、石灰石骨材、高炉スラグ粗骨材、電気炉酸化スラグ粗骨材等を使用することができる。また、上記粗骨材は、５ｍｍの篩いに８５質量％以上残留する粒径を有することがより好ましい。
粗骨材としては、例えば、砂利、砕石、石灰石骨材、高炉スラグ粗骨材、電気炉酸化スラグ粗骨材等を使用することができる。また、上記粗骨材は、５ｍｍの篩いに８５質量％以上残留する粒径を有することがより好ましい。
所望の効果を得る観点から、コンクリートを構成する各成分の単位量（コンクリート１ｍ３中に含まれる成分量）は以下の範囲とすることが好ましい。
・結合材（好適にはポルトランドセメント）：２００〜７００ｋｇ／ｍ３
・水：１３０〜２００ｋｇ／ｍ３
・シリカフューム：５〜３５ｋｇ／ｍ３
・メタカオリン：５〜３５ｋｇ／ｍ３
・無水石膏：２〜２５ｋｇ／ｍ３
・細骨材：５００〜１５００ｋｇ／ｍ３
・粗骨材：５００〜１５００ｋｇ／ｍ３
・結合材（好適にはポルトランドセメント）：２００〜７００ｋｇ／ｍ３
・水：１３０〜２００ｋｇ／ｍ３
・シリカフューム：５〜３５ｋｇ／ｍ３
・メタカオリン：５〜３５ｋｇ／ｍ３
・無水石膏：２〜２５ｋｇ／ｍ３
・細骨材：５００〜１５００ｋｇ／ｍ３
・粗骨材：５００〜１５００ｋｇ／ｍ３
結合材の単位量は上記のとおり好ましくは２００〜７００ｋｇ／ｍ３であり、より好ましくは２００〜６５０ｋｇ／ｍ３であり、更に好ましくは２５０〜６２５ｋｇ／ｍ３であり、特に好ましくは３００〜６００ｋｇ／ｍ３である。
水の単位量は上記のとおり好ましくは１３０〜２００ｋｇ／ｍ３であり、より好ましくは１４０〜１９０ｋｇ／ｍ３であり、更に好ましくは１４５〜１８５ｋｇ／ｍ３であり、特に好ましくは１５０〜１８０ｋｇ／ｍ３である。
シリカフュームの単位量は上記のとおり好ましくは５〜３５ｋｇ／ｍ３であり、より好ましくは８〜３２ｋｇ／ｍ３であり、更に好ましくは１０〜３０ｋｇ／ｍ３であり、特に好ましくは１２〜２５ｋｇ／ｍ３である。シリカフュームの単位量が５ｋｇ／ｍ３未満であると、塩化物浸透抵抗性及び圧縮強度の向上効果が得難くなる傾向にあり、３５ｋｇ／ｍ３を超えると、所定のフレッシュ性状の確保（流動性、空気量等）が難しくなる傾向にある。
メタカオリンの単位量は、上記のとおり好ましくは５〜３５ｋｇ／ｍ３であり、より好ましくは８〜３２ｋｇ／ｍ３であり、更に好ましくは１０〜３０ｋｇ／ｍ３であり、特に好ましくは１２〜２５ｋｇ／ｍ３である。メタカオリンの単位量が５ｋｇ／ｍ３未満であると、塩化物浸透抵抗性及び圧縮強度の向上効果が得難くなる傾向にあり、３５ｋｇ／ｍ３を超えると、所定のフレッシュ性状の確保（流動性、空気量等）が難しくなる傾向にある。
無水石膏の単位量は、上記のとおり好ましくは２〜２５ｋｇ／ｍ３であり、より好ましくは２．３〜２３ｋｇ／ｍ３であり、更に好ましくは２．６〜２１ｋｇ／ｍ３であり、特に好ましくは３〜１８ｋｇ／ｍ３である。膨張材の単位量が２ｋｇ／ｍ３未満の場合又は２５ｋｇ／ｍ３を超える場合、塩化物浸透抵抗性の向上効果が小さくなる傾向にある。
細骨材の単位量は、上記のとおり好ましくは５００〜１５００ｋｇ／ｍ３であり、より好ましくは５３０〜１３００ｋｇ／ｍ３であり、更に好ましくは５６０〜１１００ｋｇ／ｍ３であり、特に好ましくは６００〜１０００ｋｇ／ｍ３である。
粗骨材の単位量は上記のとおり好ましくは５００〜１５００ｋｇ／ｍ３であり、より好ましくは６００〜１４００ｋｇ／ｍ３であり、更に好ましくは７００〜１３００ｋｇ／ｍ３であり、特に好ましくは８００〜１２００ｋｇ／ｍ３である。
本実施形態に係るモルタル・コンクリート用混和材を、例えば結合材、水、細骨材及び化学混和剤と混合することで、塩化物浸透抵抗性及び圧縮強度発現性に優れるセメント組成物を容易に得ることができる。また、この混和材を、例えば結合材、水、細骨材、粗骨材及び化学混和剤と混合することで、塩化物浸透抵抗性及び圧縮強度発現性に優れるコンクリートを容易に得ることができる。
実施例及び比較例を挙げて本発明の内容をより具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
［１．使用材料］
以下の表１及び表２に示す材料を使用した。
［１．使用材料］
以下の表１及び表２に示す材料を使用した。
［２．使用材料の分析試験］
（１）粉末Ｘ線回折分析
表２に示したメタカオリンについて、粉末Ｘ線回折分析により鉱物組成を測定した。Ｘ線回折装置は、ブルカージャパン社製Ｄ２ ＰＨＡＳＥＲ ２ｎｄ Ｇｅｎを使用した。Ｘ線の測定条件は管電圧３０ｋＶ、管電流１０ｍＡ、ステップ間隔０．０２°、計測時間０．５ｓとした。測定材料に対して内部標準物質（Ａｌ２Ｏ３）を９：１の割合で混合して、振動ミルにかけた試料について、リートベルト解析ソフトＭＤＩ ＪＡＤＥ ６を用いて、検出物の定量を行った。結果を表３に示す。
（１）粉末Ｘ線回折分析
表２に示したメタカオリンについて、粉末Ｘ線回折分析により鉱物組成を測定した。Ｘ線回折装置は、ブルカージャパン社製Ｄ２ ＰＨＡＳＥＲ ２ｎｄ Ｇｅｎを使用した。Ｘ線の測定条件は管電圧３０ｋＶ、管電流１０ｍＡ、ステップ間隔０．０２°、計測時間０．５ｓとした。測定材料に対して内部標準物質（Ａｌ２Ｏ３）を９：１の割合で混合して、振動ミルにかけた試料について、リートベルト解析ソフトＭＤＩ ＪＡＤＥ ６を用いて、検出物の定量を行った。結果を表３に示す。
［３．コンクリートの配合］
上記材料を用いた、コンクリートの配合を以下の表４に示す。シリカフューム、メタカオリン及び無水石膏の合計量に対する無水石膏の比は０〜５０質量％とし、シリカフュームとメタカオリンの量比は１：１とした。目標空気量は、２．０％以下とした。目標空気量が得られるよう、空気量調整剤の量を調整した。
上記材料を用いた、コンクリートの配合を以下の表４に示す。シリカフューム、メタカオリン及び無水石膏の合計量に対する無水石膏の比は０〜５０質量％とし、シリカフュームとメタカオリンの量比は１：１とした。目標空気量は、２．０％以下とした。目標空気量が得られるよう、空気量調整剤の量を調整した。
［４．コンクリートの調製及び試験方法］
（１）コンクリートの練り混ぜ
表４に示した配合のコンクリートの練り混ぜは次の手順で行った。すなわち、水平二軸強制練りミキサ内に、細骨材、粗骨材、セメント及び混和材を投入して３０秒間空練りした後、水（混和剤を含む）を加えて１２０秒間練り混ぜた。
（２）コンクリートのフレッシュ性状
フレッシュコンクリートの性状試験として、スランプ及び空気量を測定した。スランプ試験はＪＩＳ Ａ １１０１「コンクリートのスランプ試験方法」、空気量の測定はＪＩＳ Ａ １１２８「コンクリートの空気量の圧力による試験方法―空気室圧力方法」に準じて実施した。
（３）コンクリート供試体の養生
コンクリート供試体の養生は、材齢初期に蒸気養生にて実施した。２０℃で４時間の前置きの後、昇温速度１０℃／ｈｒにて昇温、６０℃で３時間保持し、降温速度１０℃／ｈｒにて降温させた。材齢１日以降は２０℃の恒温室で気中養生した。
（４）拡散係数測定試験
塩化物イオンの実効拡散係数の測定は、土木学会規準ＪＳＣＥ−Ｇ５７１−２０１０「電気泳動によるコンクリート中の塩化物イオンの実効拡散係数試験方法（案）」に準拠して行った。直径１０ｃｍ、高さ２０ｃｍの円柱供試体の中央部から５．０ｃｍの円盤型供試体を切り出し、円周面をエポキシ樹脂でシーリングした後、真空飽和処理を行い、供試体を水で飽和させた。電気泳動セルに供試体を設置して直流定電圧１５Ｖを電極間に印加し、陽極側（０．５ｍｏｌ／Ｌ・ＮａＣｌ水溶液）および陰極側（０．３ｍｏｌ／Ｌ・ＮａＯＨ水溶液）の塩化物イオン濃度等を経時的に測定して、実効拡散係数を算出した。
（５）圧縮強度試験
ＪＩＳ Ａ １１０８「コンクリートの圧縮強度試験方法」に準じて行い、材齢２８日での圧縮強度を測定した。
（１）コンクリートの練り混ぜ
表４に示した配合のコンクリートの練り混ぜは次の手順で行った。すなわち、水平二軸強制練りミキサ内に、細骨材、粗骨材、セメント及び混和材を投入して３０秒間空練りした後、水（混和剤を含む）を加えて１２０秒間練り混ぜた。
（２）コンクリートのフレッシュ性状
フレッシュコンクリートの性状試験として、スランプ及び空気量を測定した。スランプ試験はＪＩＳ Ａ １１０１「コンクリートのスランプ試験方法」、空気量の測定はＪＩＳ Ａ １１２８「コンクリートの空気量の圧力による試験方法―空気室圧力方法」に準じて実施した。
（３）コンクリート供試体の養生
コンクリート供試体の養生は、材齢初期に蒸気養生にて実施した。２０℃で４時間の前置きの後、昇温速度１０℃／ｈｒにて昇温、６０℃で３時間保持し、降温速度１０℃／ｈｒにて降温させた。材齢１日以降は２０℃の恒温室で気中養生した。
（４）拡散係数測定試験
塩化物イオンの実効拡散係数の測定は、土木学会規準ＪＳＣＥ−Ｇ５７１−２０１０「電気泳動によるコンクリート中の塩化物イオンの実効拡散係数試験方法（案）」に準拠して行った。直径１０ｃｍ、高さ２０ｃｍの円柱供試体の中央部から５．０ｃｍの円盤型供試体を切り出し、円周面をエポキシ樹脂でシーリングした後、真空飽和処理を行い、供試体を水で飽和させた。電気泳動セルに供試体を設置して直流定電圧１５Ｖを電極間に印加し、陽極側（０．５ｍｏｌ／Ｌ・ＮａＣｌ水溶液）および陰極側（０．３ｍｏｌ／Ｌ・ＮａＯＨ水溶液）の塩化物イオン濃度等を経時的に測定して、実効拡散係数を算出した。
（５）圧縮強度試験
ＪＩＳ Ａ １１０８「コンクリートの圧縮強度試験方法」に準じて行い、材齢２８日での圧縮強度を測定した。
［５．試験結果］
コンクリートのフレッシュ性状、材齢２８日での圧縮強度及び塩化物イオン実効拡散係数を以下の表５に示す。塩化物イオン実効拡散係数の評価の基準は以下のとおりとした。
◎：塩化物イオン実効拡散係数が０．０６（ｃｍ２／年）を下回る
○：塩化物イオン実効拡散係数が０．１０（ｃｍ２／年）を下回る
×：塩化物イオン実効拡散係数が０．１０（ｃｍ２／年）を上回る
コンクリートのフレッシュ性状、材齢２８日での圧縮強度及び塩化物イオン実効拡散係数を以下の表５に示す。塩化物イオン実効拡散係数の評価の基準は以下のとおりとした。
◎：塩化物イオン実効拡散係数が０．０６（ｃｍ２／年）を下回る
○：塩化物イオン実効拡散係数が０．１０（ｃｍ２／年）を下回る
×：塩化物イオン実効拡散係数が０．１０（ｃｍ２／年）を上回る
［６．評価］
拡散係数測定試験の結果、Ｎｏ．２、３、６、７については、フレッシュ性状、圧縮強度を大きく損なうことなく、塩化物イオン実効拡散係数が無水石膏を使用しないＮｏ．１の０．１０（ｃｍ２／年）を下回ることが分かった。Ｘ線回折分析の結果と共に考察すると、優れた塩化物浸透抵抗性を得るためには、無水石膏を一定量含むとともに、メタカオリン中に非晶質成分が一定量以上含まれていることが好ましいことが分かった。
Ｎｏ．６、７については、塩化物イオン実効拡散係数が０．０４〜０．０５（ｃｍ２／年）であり、Ｎｏ．２、３に比べさらに優れた効果が得られた。Ｘ線回折分析の結果と共に考察すると、さらに優れた塩化物浸透抵抗性を得るためには、メタカオリン中のムライト及びカオリナイトの量が所定量である必要があることが分かった。
このように、特定の鉱物組成を有するメタカオリンと、シリカフュームと、無水石膏をそれぞれ所定量用いることで、優れた塩化物浸透抵抗性を付与したコンクリートを得ることが可能である。
拡散係数測定試験の結果、Ｎｏ．２、３、６、７については、フレッシュ性状、圧縮強度を大きく損なうことなく、塩化物イオン実効拡散係数が無水石膏を使用しないＮｏ．１の０．１０（ｃｍ２／年）を下回ることが分かった。Ｘ線回折分析の結果と共に考察すると、優れた塩化物浸透抵抗性を得るためには、無水石膏を一定量含むとともに、メタカオリン中に非晶質成分が一定量以上含まれていることが好ましいことが分かった。
Ｎｏ．６、７については、塩化物イオン実効拡散係数が０．０４〜０．０５（ｃｍ２／年）であり、Ｎｏ．２、３に比べさらに優れた効果が得られた。Ｘ線回折分析の結果と共に考察すると、さらに優れた塩化物浸透抵抗性を得るためには、メタカオリン中のムライト及びカオリナイトの量が所定量である必要があることが分かった。
このように、特定の鉱物組成を有するメタカオリンと、シリカフュームと、無水石膏をそれぞれ所定量用いることで、優れた塩化物浸透抵抗性を付与したコンクリートを得ることが可能である。
以上より、本実施例の混和材を使用したコンクリートは、塩化物浸透抵抗性に優れるコンクリートであることが確認された。
Claims (6)
- シリカフューム、メタカオリン及び無水石膏を含むモルタル・コンクリート用混和材であって、
前記モルタル・コンクリート用混和材１００質量部中の、前記シリカフュームの含有量が２０〜５０質量部であり、前記メタカオリンの含有量が２０〜５０質量部であり、前記無水石膏の含有量が５〜３５質量部であり、
前記メタカオリン１００質量部中の非晶質の含有量が８０質量部以上である、
モルタル・コンクリート用混和材。 - 前記メタカオリン１００質量部中のムライトの含有量が５質量部以下であり、且つカオリナイトの含有量が０．０１質量部以上である、請求項１に記載のモルタル・コンクリート用混和材。
- 前記無水石膏１００質量部中のＳＯ３の含有量が５４〜６０質量部であり、且つＣａＯの含有量が３９〜４４質量部であり、
前記無水石膏のブレーン比表面積が３８００〜５１００ｃｍ２／ｇである、
請求項１又は２に記載のモルタル・コンクリート用混和材。 - 請求項１〜３のいずれか一項に記載のモルタル・コンクリート用混和材及び結合材を含む水硬性組成物であって、
前記結合材がセメントを含み、
前記結合材１００質量部に対して、前記シリカフュームを１〜１２質量部含み、前記メタカオリンを１〜１２質量部含み、且つ前記無水石膏を０．２〜９質量部含む、水硬性組成物。 - 請求項４に記載の水硬性組成物、水、細骨材及び化学混和剤を含む、セメント組成物。
- 請求項５に記載のセメント組成物及び粗骨材を含むコンクリートであって、
前記コンクリート１ｍ３中に、
前記結合材を２００〜７００ｋｇ、
前記水を１３０〜２００ｋｇ、
前記シリカフュームを５〜３５ｋｇ、
前記メタカオリンを５〜３５ｋｇ、
前記無水石膏を２〜２５ｋｇ、
前記細骨材を５００〜１５００ｋｇ、及び
前記粗骨材を５００〜１５００ｋｇ含む、コンクリート。
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| JP2006248828A (ja) * | 2005-03-09 | 2006-09-21 | Taiheiyo Material Kk | 高強度モルタル・コンクリート用混和材及びモルタル・コンクリート組成物 |
| JP2009269786A (ja) * | 2008-05-07 | 2009-11-19 | Utsunomiya Univ | 水硬性組成物および該水硬性組成物を用いたコンクリート |
| JP2016088777A (ja) * | 2014-10-30 | 2016-05-23 | 宇部興産株式会社 | 高耐久性モルタル及び高耐久性コンクリート |
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| JP2019011250A (ja) * | 2018-10-26 | 2019-01-24 | 宇部興産株式会社 | 高耐久性モルタル及び高耐久性コンクリート並びに高耐久性モルタルの製造方法 |
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