JP2022053054A - セメント組成物、モルタル組成物、及び、コンクリート構造物の補修方法 - Google Patents

セメント組成物、モルタル組成物、及び、コンクリート構造物の補修方法 Download PDF

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Abstract

【課題】耐酸性が高く、かつ、ひび割れ抵抗性に優れたセメント組成物、モルタル組成物、及び、コンクリート構造物の補修方法を提供する。【解決手段】本発明に係るセメント組成物は、ポルトランドセメントと、スラグと、セメント混和用ポリマーと、を含むセメント組成物であって、前記セメント混和用ポリマーと前記ポルトランドセメントとのポリマーセメント比(固形分比)が、3質量%以上10質量%以下である。【選択図】なし

Description

本発明は、セメント組成物、モルタル組成物、及び、コンクリート構造物の補修方法に関する。
下水道関連施設では、コンクリート構造物の腐食劣化が問題となっている。コンクリート構造物の腐食劣化は、下水中に含まれる硫酸塩に起因して発生する。具体的には、下水中に含まれる硫酸塩が、硫酸塩還元菌により還元され硫化水素を生成する。この硫化水素は、硫黄酸化細菌により酸化され硫酸を生成し、その結果、コンクリート構造物の表面が酸性雰囲気に曝され続けることとなり、腐食劣化する。
腐食劣化したコンクリート構造物の補修材として、種々の耐酸性モルタルが提案されている。ポルトランドセメント系耐酸性モルタルとして、例えば、特許文献1では、普通ポルトランドセメントと、シリカフュームと、高炉水砕スラグ粉とからなり、これらの3成分を所定の配合量にすることで、硬化体の硫酸侵食による重量減少を抑えるだけでなく、硬化体内部への硫酸浸透速度をも抑え、中性化進行も同時に抑えることができるセメント組成物が開示されている。特許文献2では、ポルトランドセメント、高炉スラグ微粉末、細骨材及びギ酸カルシウムを含み、該細骨材がアルミナセメントクリンカー骨材を含むことによって、耐酸性だけでなく、強度発現性及び接着性を向上させることができる耐酸水硬性組成物が開示されている。また、アルミナセメント系耐酸性モルタルとして、例えば、特許文献3では、アルミナセメント、アルミナセメントクリンカー、高炉スラグ、シリカフューム、細骨材及び炭酸リチウムを含むことによって、優れた耐酸性、強度発現性、及び、接着性を安定して有するモルタル組成物が開示されている。
特開2010-155734号公報 特開2013-170112号公報 特開2016-13960号公報
しかし、ポルトランドセメント系耐酸性モルタルでは、水酸化カルシウムの生成量が多いため、腐食劣化の原因となる二水石膏の生成を十分に抑制することができず、耐酸性が高いとは言い難い。また、アルミナセメント系耐酸性モルタルは、アルミナセメント水和物の相転移(比重の大きな水和物への変化)に伴いモルタルの強度が低下し、ひび割れ等が発生しやすくなることから、高い耐酸性とひび割れ抵抗性の両立は困難である。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、耐酸性が高く、かつ、ひび割れ抵抗性に優れたセメント組成物、モルタル組成物、及びコンクリート構造物の補修方法を提供することを課題とする。
本発明に係るセメント組成物は、ポルトランドセメントと、スラグと、セメント混和用ポリマーと、を含むセメント組成物であって、前記セメント混和用ポリマーと前記ポルトランドセメントとのポリマーセメント比(固形分比)が、3質量%以上10質量%以下である。
斯かる構成により、前記セメント組成物は、水酸化カルシウムの生成量を抑制しつつ、硫酸イオンの侵入を抑制することができるため、耐酸性を高めることができる。また、前記セメント組成物は、ポルトランドセメントを含むため、ひび割れ抵抗性に優れる。
本発明に係るセメント組成物は、前記セメント混和用ポリマーのガラス転移温度が5℃以上であってもよい。
前記スラグ表面の一部に前記セメント混和用ポリマーのフィルムが付着することにより、該付着箇所にはスラグの未反応面が形成される。コンクリート構造物にひび割れが発生し、かつ、ガラス転移温度以下の環境温度になると、スラグ表面に付着したフィルムが剥離し、スラグの未反応面において水和反応が起こる。これにより、ひび割れ箇所を水和物で埋めて、自己治癒することができる。前記セメント混和用ポリマーのガラス転移温度が5℃以上であると、前記水和反応が起こりやすくなるため、ひび割れ箇所の自己治癒性を向上させることができる。
本発明に係るセメント組成物は、前記スラグのブレーン比表面積が、8000cm/g未満であってもよい。
前記スラグのブレーン比表面積が8000cm/g未満であると、該スラグ表面に前記セメント混和用ポリマーのフィルムが付着しやすくなる。その結果、ひび割れ箇所の自己治癒性をより向上させることができる。
本発明に係るセメント組成物は、混合材としてフライアッシュをさらに含んでいてもよい。
斯かる構成により、前記セメント組成物は、コンクリート構造物の強度を高めることができる。
本発明に係るモルタル組成物は、前記セメント組成物と、水と、細骨材と、を含む。
斯かる構成により、本発明に係るモルタル組成物は、水酸化カルシウムの生成量を抑制しつつ、硫酸イオンの侵入を抑制することができるため、耐酸性を高めることができる。また、本発明に係るモルタル組成物は、ポルトランドセメントを含むため、ひび割れ抵抗性に優れる。
本発明に係るコンクリート構造物の補修方法は、前記モルタル組成物を、コンクリート構造物の補修箇所に充填又は塗布する。
前記コンクリート構造物の補修方法は、上述のモルタル組成物を用いることにより、腐食劣化したコンクリート構造物を補修して、耐酸性が高く、かつ、ひび割れ抵抗性に優れたコンクリート構造物を得ることができる。
本発明によれば、耐酸性が高く、かつ、ひび割れ抵抗性に優れたセメント組成物、モルタル組成物、及び、コンクリート構造物の補修方法を提供することができる。
<セメント組成物>
以下、本実施形態に係るセメント組成物について説明する。
本実施形態に係るセメント組成物は、ポルトランドセメントと、スラグと、セメント混和用ポリマーと、を含む。
ポルトランドセメントとしては、特に限定されるものではなく、例えば、JIS R 5210で規定される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、中庸熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント、白色ポルトランドセメント等が挙げられる。なお、セメントは、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記ポルトランドセメントの配合量は、圧縮強度の確保とひび割れ抵抗性向上の観点から、粉体成分100質量部に対して10質量部以上60質量部以下であることが好ましく、30質量部以上45質量部以下であることがより好ましい。なお、セメントが2種以上含まれる場合、前記配合量は、セメントの合計配合量である。また、粉体成分としては、例えば、セメント、スラグ、フライアッシュ、骨材等が挙げられる。
スラグとしては、例えば、高炉スラグ、転炉スラグ、脱リンスラグ等が挙げられる。これらの中でも、スラグは、耐酸性を高める観点から、高炉スラグであることが好ましい。なお、スラグは、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記スラグのブレーン比表面積は、自己治癒性を向上させる観点から、8000cm/g未満であることが好ましい。また、さらに自己治癒性を向上させる観点から、4000cm/g以上であることが好ましい。なお、ブレーン比表面積は、JIS R 5201:2015の8.1に準じて測定した値をいうものである。
前記スラグの配合量は、自己治癒性向上の観点から、粉体成分100質量部に対して、2.5質量部以上であることが好ましい。また、施工性の観点から、粉体成分100質量部に対して、20質量部以下であることが好ましい。なお、スラグが2種以上含まれる場合、前記配合量は、スラグの合計配合量である。
セメント混和用ポリマーとしては、例えば、液状の樹脂エマルジョンやゴムラテックス等のポリマーディスパージョン、粉末状の再乳化形粉末樹脂等を用いることができる。樹脂エマルジョンとしては、例えば、ポリアクリル酸エステル、ポリ酢酸ビニル、塩化ビニリデン塩化ビニル、ポリプロピオン酸ビニル、エチレン酢酸ビニル、ポリプロピレン、エポキシ、アスファルト、ゴムアスファルト、パラフィン等が挙げられる。ゴムラテックスとしては、例えば、クロロプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、メタクリル酸メチルブタジエンゴム、ブタジエンゴム等が挙げられる。再乳化形粉末樹脂としては、例えば、エチレン酢酸ビニル、酢酸ビニルビニルバーサテート等が挙げられる。なお、セメント混和用ポリマーは、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記セメント混和用ポリマーは、液状のポリマーディスパージョンを用いることが好ましい。ポリマーディスパージョンのガラス転移温度は、ひび割れ箇所の自己治癒性を向上させる観点から、5℃以上であることが好ましい。
前記セメント混和用ポリマーの配合量は、粉体成分100質量部に対して固形分換算で1質量部以上8質量部以下とすることができる。なお、セメント混和用ポリマーが2種以上含まれる場合、前記配合量は、セメント混和用ポリマーの合計配合量である。
前記セメント混和用ポリマーと前記ポルトランドセメントとのポリマーセメント比(固形分比)は、耐酸性を高める観点から、3質量%以上10質量%以下であり、5質量%以上9質量%以下であることが好ましい。
本実施形態に係るセメント組成物は、混合材としてフライアッシュをさらに含んでいてもよい。フライアッシュとしては、特に限定されるものではなく、例えば、フライアッシュI種、II種、III種、IV種等が挙げられ、JIS A 6201の規定に適合するものを用いることができる。前記フライアッシュの含有量は、粉体成分100質量部に対して、2.5質量部以上10質量部以下とすることができる。
本実施形態に係るセメント組成物は、フライアッシュ以外のその他の混和材を含んでいてもよい。その他の混和材としては、例えば、シリカフューム、セメントキルンダスト、高炉フューム、半水石膏、膨張材、石灰石微粉末、生石灰微粉末、ドロマイト微粉末等の無機質微粉末、ナトリウム型ベントナイト、カルシウム型ベントナイト、アタパルジャイト、セピオライト、活性白土、酸性白土、アロフェン、イモゴライト、シラス(火山灰)、シラスバルーン、カオリナイト、メタカオリン(焼成粘土)、合成ゼオライト、人造ゼオライト、人工ゼオライト、モルデナイト、クリノプチロライト等の無機物系フィラーが挙げられる。なお、混和材は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
本実施形態に係るセメント組成物は、混和剤を含んでいてもよい。混和剤としては、例えば、AE剤、AE減水剤、流動化剤、分離低減剤、凝結遅延剤(例えば、酒石酸等)、凝結促進剤(例えば、硫酸アルミニウム等)、急結剤、収縮低減剤、起泡剤、発泡剤、防水剤、消泡剤等が挙げられる。なお、混和剤は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
本実施形態に係るセメント組成物は、ポルトランドセメントと、スラグと、セメント混和用ポリマーと、を含み、前記セメント混和用ポリマーと前記ポルトランドセメントとのポリマーセメント比(固形分比)が、3質量%以上10質量%以下であることにより、水酸化カルシウムの生成量を抑制しつつ、硫酸イオンの侵入を抑制することができるため、耐酸性を高めることができる。また、本実施形態に係るセメント組成物は、ポルトランドセメントを含むため、ひび割れ抵抗性に優れる。
本実施形態に係るセメント組成物は、セメント混和用ポリマーのガラス転移温度が5℃以上であることにより、水和反応が起こりやすくなり、ひび割れ箇所の自己治癒性を向上させることができる。具体的には、スラグ表面の一部にセメント混和用ポリマーのフィルムが付着することにより、該付着箇所にはスラグの未反応面が形成される。コンクリート構造物にひび割れが発生し、かつ、ガラス転移温度以下の環境温度になると、スラグ表面に付着したフィルムが剥離し、スラグの未反応面において水和反応が起こる。これにより、ひび割れ箇所を水和物で埋めて、自己治癒することができる。
本実施形態に係るセメント組成物は、スラグのブレーン比表面積が、8000cm/g未満であることにより、該スラグ表面にセメント混和用ポリマーのフィルムが付着しやすくなる。その結果、ひび割れ箇所の自己治癒性をより向上させることができる。
本実施形態に係るセメント組成物は、混合材としてフライアッシュをさらに含むことにより、コンクリート構造物の強度を高めることができる。
<モルタル組成物>
以下、本実施形態に係るモルタル組成物について説明する。
本実施形態に係るモルタル組成物は、前記セメント組成物と、水と、細骨材と、を含む。
水は、特に限定されるものではなく、例えば、水道水、工業用水、回収水、地下水、河川水、雨水等を使用することができる。
細骨材とは、10mm網ふるいを全部通過し、5mm網ふるいを質量で85%以上通過する骨材のことをいう(JIS A 0203:2014)。細骨材としては、例えば、JIS A 5308附属書Aレディミクストコンクリート用骨材で規定される山砂、川砂、陸砂、海砂、砕砂、石灰石砕砂等の天然由来の砂、高炉スラグ、電気炉酸化スラグ、フェロニッケルスラグ等のスラグ由来の砂等が挙げられる。なお、これらの細骨材は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。2種以上を併用して用いる場合には、粒径の異なる細骨材を混合してもよい。
本実施形態に係るモルタル組成物は、前記セメント組成物と、水と、細骨材と、を含むことにより、水酸化カルシウムの生成量を抑制しつつ、硫酸イオンの侵入を抑制することができるため、耐酸性を高めることができる。また、本実施形態に係るモルタル組成物は、ポルトランドセメントを含むため、ひび割れ抵抗性に優れる。
本実施形態に係るモルタル組成物は、さらに粗骨材を添加して、コンクリート組成物としてもよい。
粗骨材とは、5mm網ふるいに質量で85%以上とどまる骨材のことをいう(JIS A 0203:2014)。粗骨材としては、特に限定されるものではなく、例えば、川砂利、山砂利、海砂利等の天然骨材、砂岩、硬質石灰岩、玄武岩、安山岩等の砕石等の人工骨材、再生骨材等が挙げられる。なお、粗骨材は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
<コンクリート構造物の補修方法>
以下、本実施形態に係るコンクリート構造物の補修方法について説明する。
本実施形態に係るコンクリート構造物の補修方法は、前記モルタル組成物を、コンクリート構造物の補修箇所に充填又は塗布する。
まず、上述のセメント組成物、水、及び細骨材をハンドルミキサ、モルタルミキサ等のミキサにより混錬してモルタル組成物を作製する。続いて、腐食劣化した部分の除去等の下地処理を行った補修箇所にモルタル組成物を充填又は塗布する。
充填又は塗布する方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、左官工法や吹付け工法等が挙げられる。左官工法では、職人が鏝板に適量のモルタルを載せ、金鏝等を用いてコンクリート構造物の補修箇所にモルタル組成物を塗り付ける。吹付け工法では、モルタルポンプ等の装置を用いてコンクリート構造物の補修箇所にモルタル組成物を吹き付ける。
本実施形態に係るコンクリート構造物の補修方法は、前記モルタル組成物を、コンクリート構造物の補修箇所に充填又は塗布することにより、腐食劣化したコンクリート構造物を補修して、耐酸性が高く、かつ、ひび割れ抵抗性に優れたコンクリート構造物を得ることができる。
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
表1に示す配合で各実施例及び比較例のモルタル組成物を作製した。各モルタル組成物について、圧縮強度、乾燥収縮率、耐酸性、及び自己治癒性について試験を行った。ひび割れ抵抗性は、圧縮強度及び乾燥収縮率の試験により評価し、いずれの試験も評価が「〇(良好)」である場合に、ひび割れ抵抗性「〇」と評価した。各試験結果は、表2に示す。
表1に示す各成分の詳細を以下に示す。
セメント(NC):普通ポルトランドセメント(住友大阪セメント社製)
セメント(AC):アルミナセメント AC-1(AGC社製)
スラグA:セラメント(ディ・シー社製)、ブレーン比表面積 4000cm/g
スラグB:ファインセラメント20A(ディ・シー社製)、ブレーン比表面積 6900cm/g
スラグC:スラグBとスラグDを1:1で混合、ブレーン比表面積 7500cm/g
スラグD:ファインセラメント10A(ディ・シー社製)、ブレーン比表面積 8000cm/g
フライアッシュ(FA):JIS II種品(碧南産)
砂:4号/6号=1/1 混合砂
エマルション(セメント混和用ポリマー):ガラス転移温度(Tg)が5℃、13℃、23℃のポリアクリル酸エステル
Figure 2022053054000001
(圧縮強度)
日本下水道事業団「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技術マニュアル」に示されている試験方法に準じて測定した。具体的には、JIS R 5201に基づいて、40×40×160mmの角柱供試体を3本作製して曲げ試験に用いた後、両折片(6片)を圧縮強度試験に用いた。供試体は打設翌日に脱型し、材齢3日まで20±2℃で水中養生した。
測定した圧縮強度が25N/mm以上であったものを圧縮強度「○」と評価し、25N/mm未満であったものを圧縮強度「×(不良)」と評価した。
(乾燥収縮率)
日本下水道事業団「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技術マニュアル」に示されている試験方法に準じて測定した。具体的には、JIS A 1129-3に基づいて測定した。供試体は打設翌日に脱型し、脱型後は20℃±2℃、相対湿度60±5%で材齢28日まで保存した。
測定した乾燥収縮率(長さ変化率)が1000μ未満であったものを乾燥収縮率「〇」と評価し、1000μ以上であったものを乾燥収縮率「×」と評価した。
(耐酸性)
日本下水道事業団「下水道コンクリート構造物の腐食抑制技術及び防食技術マニュアル」に示されている試験方法に準じて測定した。具体的には、まずJIS A 1132に基づいて、φ75mm×150mmの円柱形の供試体を作製した。供試体は打設翌日に脱型し、材齢28日まで20±2℃で水中養生した。次に、材齢28日の供試体を5%硫酸水溶液に浸漬し、浸漬後の供試体をダイヤモンドカッター等で半分に切断し、切断面にフェノールフタレイン1%溶液を噴霧した。続いて、供試体の赤く発色した部分の直径方向の長さをノギスで5か所測定し、その平均値を供試体の幅の初期値(75mm)から差し引いた値の1/2を算出して硫酸浸透深さとした。
測定した硫酸浸透深さが10mm以下であったものを耐酸性「○」と評価し、硫酸浸透深さが10mmを超えたものを耐酸性「×」と評価した。
(自己治癒性)
各実施例及び比較例のモルタル組成物からφ50mm×100mmの供試体を作製し、割裂により各供試体の上部にひび割れを導入した。各供試体側面をエポキシ樹脂でコーティングして止水加工したのち、各供試体の上部に50ml程度水を張り、1月経過後に供試体の下部より通水が無かったものを「〇」と評価し、通水があったものを「×」と評価した。
Figure 2022053054000002
表2の結果から分かるように、本発明の構成要件をすべて満たす実施例1~14の各モルタル組成物は、耐酸性が高く、かつ、ひび割れ抵抗性に優れる。また、実施例1~11の各モルタル組成物は、スラグのブレーン比表面積が8000cm/g未満であり、かつ、セメント混和用ポリマーのガラス転移温度が5℃以上であることから、自己治癒性に優れる。

Claims (6)

  1. ポルトランドセメントと、スラグと、セメント混和用ポリマーと、を含むセメント組成物であって、
    前記セメント混和用ポリマーと前記ポルトランドセメントとのポリマーセメント比(固形分比)が、3質量%以上10質量%以下である、セメント組成物。
  2. 前記セメント混和用ポリマーのガラス転移温度が5℃以上である、請求項1に記載のセメント組成物。
  3. 前記スラグのブレーン比表面積が、8000cm/g未満である、請求項1又は2に記載のセメント組成物。
  4. 混合材としてフライアッシュをさらに含む、請求項1~3のいずれか一つに記載のセメント組成物。
  5. 請求項1~4のいずれかに記載のセメント組成物と、水と、細骨材と、を含む、モルタル組成物。
  6. 請求項5に記載のモルタル組成物を、コンクリート構造物の補修箇所に充填又は塗布する、コンクリート構造物の補修方法。
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