JP2023149401A - 水硬性組成物 - Google Patents
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Abstract
【課題】高炉セメントを含むものであっても、良好な強度発現性および収縮ひび割れ抵抗性を有する水硬性組成物を提供する。【解決手段】高炉スラグ微粉末置換率が５～７０％の高炉セメントと、膨張材及び硫酸アルミニウムを含有するセメント混和材とを含み、前記セメント混和材１００質量部中、膨張材が８０～９９質量部、硫酸アルミニウムが１～２０質量部であることを特徴とする水硬性組成物。【選択図】図１
Description
本発明は、高炉セメントを含む水硬性組成物に関する。
近年、副産物の有効活用や、地球温暖化の主な原因物質である二酸化炭素の排出量削減等の観点から、ポルトランドセメントの代替として、高炉セメントやフライアッシュセメント等の混合セメントが注目されている。これらのうち、高炉セメントは、製鉄所の副産物である高炉スラグ微粉末と普通ポルトランドセメントを混合したセメントであり、高炉スラグ微粉末を混合した分、セメントクリンカーの使用量、ひいては製造量（焼成量）を削減できるため、セメントの製造において二酸化炭素の排出量削減効果が大きい。また、塩害やアルカリ骨材反応の抑制効果が高いことも実証されており、耐久的なコンクリートとしても優れている。このように、高炉セメントを各種用途のコンクリートに用いることができれば、高炉セメントの用途が拡大して、副産物の有効活用や、二酸化炭素の排出量削減等に資することになるが、高炉セメントを用いたコンクリートの圧縮強度は、材齢２８日までは普通ポルトランドセメントを用いたコンクリートより劣り、脱型までに要する養生期間がより長期になり、経済性にかけるという問題がある（例えば、特許文献１）。また、中性化抵抗性あるいは収縮ひび割れ抵抗性に劣る等の課題も指摘されている。
本発明は、高炉セメントの有効利用技術について検討したものであり、高炉セメントを使用した場合の課題である、モルタル又はコンクリート等の初期強度発現性、収縮ひび割れ抵抗性を改善したものである。
本発明者らは、高炉セメントを含む水硬性組成物について鋭意検討した結果、膨張材を含む特定のセメント混和材を使用することによって、良好な初期強度発現性および収縮ひび割れ抵抗性を有する水硬性組成物を見出したものである。すなわち、本発明は、次の〔１〕～〔３〕を提供するものである。
〔１〕高炉スラグ微粉末置換率が５～７０％の高炉セメントと、膨張材及び硫酸アルミニウムを含有するセメント混和材とを含み、前記セメント混和材１００質量部中、膨張材が８０～９９質量部、硫酸アルミニウムが１～２０質量部であることを特徴とする水硬性組成物。
〔２〕前記硫酸アルミニウムは、１５０μｍの篩残分が１０～１００質量％であることを特徴とする〔１〕の水硬性組成物。
〔３〕前記セメント混和材の混和量が、前記高炉セメントの高炉スラグ微粉末置換率との関係において、下記の式（１）を満足することを特徴とする〔１〕または〔２〕の水硬性組成物。
Ｙ＝（－０．２Ｘ＋３３）±２．５ （１）
Ｙ：セメント混和材の混和量（ｋｇ／ｍ3）
Ｘ：高炉セメント中の高炉スラグ微粉末の置換率（％）
〔１〕高炉スラグ微粉末置換率が５～７０％の高炉セメントと、膨張材及び硫酸アルミニウムを含有するセメント混和材とを含み、前記セメント混和材１００質量部中、膨張材が８０～９９質量部、硫酸アルミニウムが１～２０質量部であることを特徴とする水硬性組成物。
〔２〕前記硫酸アルミニウムは、１５０μｍの篩残分が１０～１００質量％であることを特徴とする〔１〕の水硬性組成物。
〔３〕前記セメント混和材の混和量が、前記高炉セメントの高炉スラグ微粉末置換率との関係において、下記の式（１）を満足することを特徴とする〔１〕または〔２〕の水硬性組成物。
Ｙ＝（－０．２Ｘ＋３３）±２．５ （１）
Ｙ：セメント混和材の混和量（ｋｇ／ｍ3）
Ｘ：高炉セメント中の高炉スラグ微粉末の置換率（％）
本発明によれば、高炉セメントを含むものであっても、良好な強度発現性および収縮ひび割れ抵抗性を有する水硬性組成物を提供することができる。これによって、高炉セメントの用途が拡大して、副産物の有効活用や、二酸化炭素の排出量削減等に資することが期待できる。
本発明の水硬性組成物は、高炉スラグ微粉末置換率が５～７０質量％の高炉セメントと、膨張材及び硫酸アルミニウムを含有するセメント混和材とを含み、セメント混和材１００質量部中、膨張材が８０～９９質量部、硫酸アルミニウムが１～２０質量部であることを特徴とする。ここで水硬性組成物とは、例えば、セメントペースト、モルタル及びコンクリートが挙げられる。
本発明における高炉セメントは、高炉スラグ微粉末の置換率が５～７０質量％のものである。ＪＩＳ Ｒ ５２１１で規定される高炉セメントが好ましいが、高炉スラグ微粉末とポルトランドセメントを混合したものも使用できる。コンクリートとした場合の高炉セメントの単位セメント量は、好ましくは２７０～５００ｋｇ／ｍ３、より好ましくは３００～４５０ｋｇ／ｍ３である。
本発明のセメント混和材は、膨張材及び硫酸アルミニウムを含有し、該セメント混和材１００質量部中、膨張材が８０～９９質量部、硫酸アルミニウムが１～２０質量部である。硫酸アルミニウムの含有量が１質量部未満では凝結時間が長くなる虞があり、一方、硫酸アルミニウムの含有量が２０質量部を超えると膨張性能を確保できなくなる虞があり、またフレッシュ性状が低下する虞がある。硫酸アルミニウムの含有量としては、３～１８質量部がより好ましく、５～１５質量部がさらに好ましい。膨張材と硫酸アルミニウムは、混合装置で十分に混合され、セメント混和材として調製される。
セメント混和材中の膨張材としては、遊離生石灰（ｆ－ＣａＯ）を有効成分とするもの、３ＣａＯ・３Ａｌ2Ｏ3・ＣａＳＯ4（アウイン）等のカルシウムサルフォアルミネートを有効成分とするもの、さらに遊離生石灰及びカルシウムサルフォアルミネートの両方を有効成分とするもの、いずれも使用できる。特に、遊離生石灰の水和による体積増加によって膨張作用が発現するものが好ましい。膨張材中の遊離生石灰含有量としては、３０～８０質量％が好ましく、４０～７０質量％がより好ましい。
膨張材中には、上記成分の他に、水硬性化合物として、ＣａＯ・２ＳｉＯ2（Ｃ2Ｓ）、ＣａＯ・３ＳｉＯ2（Ｃ3Ｓ）等のカルシウムシリケート、ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3（ＣＡ）、１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3（Ｃ12Ａ7）、３ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3（Ｃ3Ａ）等のカルシウムアルミネート、４ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3・Ｆｅ2Ｏ3（Ｃ4ＡＦ）、６ＣａＯ・２Ａｌ2Ｏ3・Ｆｅ2Ｏ3（Ｃ6Ａ2Ｆ）等のカルシウムアルミノフェライトが含まれてもよい。膨張材中の水硬性化合物の含有量としては、３～４０質量％が好ましく、５～３０質量％がより好ましい。
膨張材中には、さらに石膏を含むことができる。石膏としては、半水石膏、二水石膏、無水石膏等が挙げられるが、特に無水石膏が好ましい。膨張材中の石膏の含有量は、２～３０質量％が好ましく、３～２５質量％がより好ましい。
膨張材の粉末度としては、ブレーン比表面積で２０００～７０００ｃｍ2／ｇが好ましく、３０００～６５００ｃｍ2／ｇがより好まく、４０００～６０００ｃｍ2／ｇがさらに好ましい。
セメント混和材中の硫酸アルミニウムとしては、化学成分としてＡｌ2（ＳＯ4）3・ｎＨ2Ｏで表される水和物、あるいはＡｌ2（ＳＯ4）3で表される無水塩の何れでも良い。一般に市販されている粉末状のものを使用することができる。例えば、凝集剤用途として市販されている粉末状硫酸アルミニウム（硫酸バンド）は、水和物（Ａｌ2（ＳＯ4）3・ｎＨ2Ｏ）の形態である。粉末形態での保管上の観点からは、ｎが８～１８の水和物が好ましい。
硫酸アルミニウムの粒度としては、フレッシュコンクリートのスランプ性状等の観点から、１５０μｍ篩残分が１０～１００質量％であることが好ましく、２０～９０質量％であることがより好ましく、４０～８０質量％であることがさらに好ましい。
本発明におけるセメント混和材には、上記構成成分の他に、本発明の特長が損なわれない範囲で、少量の各種添加剤が含まれてもかまわない。この種の添加剤としては、例えば、ＡＥ剤、減水剤、起泡剤、発泡剤、凝結調整剤、硬化促進剤、防水剤、撥水剤、保水剤、防錆剤、増粘剤、顔料、白華防止剤等が挙げられる。
本発明の水硬性組成物におけるセメント混和材の混和量は、高炉セメント１００質量部に対して、２～２０質量部が好ましく、５～１５質量部がより好ましい。
また、本発明の水硬性組成物におけるセメント混和材の混和量は、コンクリートにおける単位量として２０～３０ｋｇ／ｍ3の範囲で使用することができるが、特に、高炉セメント中の高炉スラグ微粉末の置換率との関係において、下記に示す式（１）を満足することが好ましい。
Ｙ＝（－０．２Ｘ＋３３）±２．５ （１）
Ｙ：セメント混和材の混和量（ｋｇ／ｍ3）
Ｘ：高炉セメント中の高炉スラグ微粉末の置換率（％）
セメント混和材の混和量が、式（１）を満足する量よりも少ない場合は十分な膨張率および強度発現性が得られない虞がある。一方、式（１）を満足する量よりも多い場合は凝結時間が速くなり、十分な施工時間（流動性を確保する時間）を得られなくなる虞がある。
Ｙ＝（－０．２Ｘ＋３３）±２．５ （１）
Ｙ：セメント混和材の混和量（ｋｇ／ｍ3）
Ｘ：高炉セメント中の高炉スラグ微粉末の置換率（％）
セメント混和材の混和量が、式（１）を満足する量よりも少ない場合は十分な膨張率および強度発現性が得られない虞がある。一方、式（１）を満足する量よりも多い場合は凝結時間が速くなり、十分な施工時間（流動性を確保する時間）を得られなくなる虞がある。
本発明における水硬性組成物には、上記の材料の他に、骨材及び水を使用することができる。骨材としては、川砂、山砂、陸砂、海砂、砕砂、硅砂、および軽量細骨材等から選ばれる１種以上の細骨材、および川砂利、山砂利、砕石、および軽量粗骨材等から選ばれる１種以上の粗骨材を使用することができる。骨材の添加量は、コンクリートの単位量として、５００～１１００ｋｇ／ｍ３が好ましく、６００～１０００ｋｇ／ｍ３がより好ましい。また、水としては、上水道水、下水処理水、および生コンの上澄み水等の、コンクリートの強度発現性や流動性等に影響を与えないものであれば用いることができる。水の添加量は、コンクリートの単位水量として、１００～２００ｋｇ／ｍ３が好ましく、１２０～１８０ｋｇ／ｍ３がより好ましい。
さらに、本発明の水硬性組成物には、通常のモルタルまたはコンクリートに使用されるＡＥ剤、減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤及び高性能ＡＥ減水剤等の混和剤を使用することができる。また、これらの混和剤以外にも、本発明の特長が損なわれない範囲で、発泡剤、起泡剤、収縮低減剤、防水剤、防錆剤、増粘剤、保水剤、顔料、撥水剤、白華防止剤、繊維及び再乳化粉末樹脂等を使用することができる。
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は何らこれらに限定されるものではない。
＜セメント混和材の調製＞
まず、珪石、バン土頁岩、酸化鉄、無水石膏及び工業用生石灰の混合物を１４００℃で、電気炉を用いて焼成した焼成物を粉砕し、遊離生石灰を６３質量％とする膨張性焼成物を作製した。この膨張性焼成物に含まれる遊離生石灰以外の主な鉱物は、カルシウムシリケート（３ＣａＯ・ＳｉＯ2）、カルシウムアルミノフェライト（４ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3・Ｆｅ2Ｏ3）、および無水石膏（ＣａＳＯ4）である。作製した膨張性焼成物は粉砕・分級により粉末に調整した。この調整した膨張性焼成物８０質量部と天然無水石膏（ブレーン比表面積７０００ｃｍ２／ｇ）２０質量部を混合することにより生石灰系の膨張材を作製した。得られた膨張材は、遊離生石灰含有量が５０質量％、ブレーン比表面積５１３０ｃｍ2／ｇであった。
次に、作製した膨張材９２質量部と硫酸アルミニウム８質量部を配合し、セメント混和材を調製した。硫酸アルミニウムとしては、市販の硫酸バンド（アルミナ１７％品）を粒度調整したもの（１５０μｍ篩残分６０質量％）を使用した。膨張材と硫酸アルミニウムとは、ブレンドミキサで十分混合し、セメント混和材とした。
まず、珪石、バン土頁岩、酸化鉄、無水石膏及び工業用生石灰の混合物を１４００℃で、電気炉を用いて焼成した焼成物を粉砕し、遊離生石灰を６３質量％とする膨張性焼成物を作製した。この膨張性焼成物に含まれる遊離生石灰以外の主な鉱物は、カルシウムシリケート（３ＣａＯ・ＳｉＯ2）、カルシウムアルミノフェライト（４ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3・Ｆｅ2Ｏ3）、および無水石膏（ＣａＳＯ4）である。作製した膨張性焼成物は粉砕・分級により粉末に調整した。この調整した膨張性焼成物８０質量部と天然無水石膏（ブレーン比表面積７０００ｃｍ２／ｇ）２０質量部を混合することにより生石灰系の膨張材を作製した。得られた膨張材は、遊離生石灰含有量が５０質量％、ブレーン比表面積５１３０ｃｍ2／ｇであった。
次に、作製した膨張材９２質量部と硫酸アルミニウム８質量部を配合し、セメント混和材を調製した。硫酸アルミニウムとしては、市販の硫酸バンド（アルミナ１７％品）を粒度調整したもの（１５０μｍ篩残分６０質量％）を使用した。膨張材と硫酸アルミニウムとは、ブレンドミキサで十分混合し、セメント混和材とした。
＜モルタルの作製＞
２０℃環境下において、高炉セメントおよび作製したセメント混和材を使用してモルタルを作製した。高炉セメントとしては、高炉スラグ微粉末の置換率がそれぞれ１５、４５および６５％である３種類の高炉セメント（太平洋セメント社製）を使用した。また、細骨材は標準砂を使用した。水は水道水を使用した。モルタル配合を表１に示す。モルタル配合はコンクリート配合におけるセメント混和材の混和量１５～３５ｋｇ／ｍ3に相当するものとした。
２０℃環境下において、高炉セメントおよび作製したセメント混和材を使用してモルタルを作製した。高炉セメントとしては、高炉スラグ微粉末の置換率がそれぞれ１５、４５および６５％である３種類の高炉セメント（太平洋セメント社製）を使用した。また、細骨材は標準砂を使用した。水は水道水を使用した。モルタル配合を表１に示す。モルタル配合はコンクリート配合におけるセメント混和材の混和量１５～３５ｋｇ／ｍ3に相当するものとした。
＜評価試験＞
モルタルフロー、膨張試験および圧縮強度試験を実施した。さらに高炉スラグ微粉末の置換率によるセメント混和材の混和量の適正範囲を決定するため、モルタルの発熱特性を評価した。試験方法を下記に示す。
（１）モルタルフロー
「ＪＩＳ Ｒ ５２０１ セメントの物理試験」に準拠して試験した。
（２）膨張試験
「ＪＩＳ Ａ ６２０２ コンクリート用膨張材 付属書Ａ」に準拠し、材齢７日における拘束膨張ひずみを測定した。
（３）圧縮強度試験
「ＪＩＳ Ｒ ５２０１ セメントの物理試験」に準拠して、材齢２８日の圧縮強度を試験した。養生温度は試験直前まで２０℃とした。
（４）水和発熱特性の評価試験
「ＪＩＳ Ａ １１５６ フレッシュコンクリートの温度測定方法」に準拠し、２．５Ｌの容器に２．０Ｌのモルタル試料を採取し、温度計測した。
モルタルフロー、膨張試験および圧縮強度試験を実施した。さらに高炉スラグ微粉末の置換率によるセメント混和材の混和量の適正範囲を決定するため、モルタルの発熱特性を評価した。試験方法を下記に示す。
（１）モルタルフロー
「ＪＩＳ Ｒ ５２０１ セメントの物理試験」に準拠して試験した。
（２）膨張試験
「ＪＩＳ Ａ ６２０２ コンクリート用膨張材 付属書Ａ」に準拠し、材齢７日における拘束膨張ひずみを測定した。
（３）圧縮強度試験
「ＪＩＳ Ｒ ５２０１ セメントの物理試験」に準拠して、材齢２８日の圧縮強度を試験した。養生温度は試験直前まで２０℃とした。
（４）水和発熱特性の評価試験
「ＪＩＳ Ａ １１５６ フレッシュコンクリートの温度測定方法」に準拠し、２．５Ｌの容器に２．０Ｌのモルタル試料を採取し、温度計測した。
＜試験結果＞
試験結果を表２に示す。
本発明のセメント混和材を添加した水準では、セメント添加材が添加されない水準（Ｎｏ．１、７および１３）に比べ、いずれも所定の膨張率を有し、圧縮強度も高いことが確認された。また、発熱特性をみると、最高温度が高く、かつ最高温度のピーク時間も早くなっており、モルタルの水和が促進されており、凝結時間が短くなっていることが示唆される。
試験結果を表２に示す。
本発明のセメント混和材を添加した水準では、セメント添加材が添加されない水準（Ｎｏ．１、７および１３）に比べ、いずれも所定の膨張率を有し、圧縮強度も高いことが確認された。また、発熱特性をみると、最高温度が高く、かつ最高温度のピーク時間も早くなっており、モルタルの水和が促進されており、凝結時間が短くなっていることが示唆される。
＜セメント混和材の最適混和量の検討＞
高炉スラグ微粉末置換率に対するセメント混和材の最適混和量について検討した。高炉セメントを使用して初期強度発現性を高めるためには、高炉セメントの水和をいかに効率的に促進できるかが重要である。そこで、セメント混和材を添加したモルタルの水和発熱特性を評価した。水和発熱特性としては、セメントの水和発熱ピークの最高温度が高く、かつ最高温度のピーク時間が短いことが好ましいことから、最高温度／ピーク時間の値を指標とした。表１によれば、高炉スラグ微粉末置換率が１５％の場合は、混和量が３０ｋｇ／ｍ3で３．８となりもっとも大きくなった。また、高炉スラグ微粉末置換率が４５％の場合は混和量が２５ｋｇ／ｍ3で３．０、高炉スラグ微粉末置換率が４５％の場合は混和量が２０ｋｇ／ｍ3で２．５と、もっとも大きくなった。それぞれの高炉スラグ微粉末置換率（Ｘ）における、最適なセメント混和材の混和量（Ｙ）との関係をグラフ化したのが図１である。３点を直線近似した式は、Ｙ＝－０．２Ｘ＋３３であった。なお、混和量は５ｋｇ／ｍ3毎にデータを取っていることから、ばらつきを考慮して±２．５ｋｇ／ｍ3とした。よって、下記の式（１）がスラグ微粉末置換率によるセメント混和材の最適混和量を表すものである。
Ｙ＝（－０．２Ｘ＋３３）±２．５ （１）
高炉スラグ微粉末置換率に対するセメント混和材の最適混和量について検討した。高炉セメントを使用して初期強度発現性を高めるためには、高炉セメントの水和をいかに効率的に促進できるかが重要である。そこで、セメント混和材を添加したモルタルの水和発熱特性を評価した。水和発熱特性としては、セメントの水和発熱ピークの最高温度が高く、かつ最高温度のピーク時間が短いことが好ましいことから、最高温度／ピーク時間の値を指標とした。表１によれば、高炉スラグ微粉末置換率が１５％の場合は、混和量が３０ｋｇ／ｍ3で３．８となりもっとも大きくなった。また、高炉スラグ微粉末置換率が４５％の場合は混和量が２５ｋｇ／ｍ3で３．０、高炉スラグ微粉末置換率が４５％の場合は混和量が２０ｋｇ／ｍ3で２．５と、もっとも大きくなった。それぞれの高炉スラグ微粉末置換率（Ｘ）における、最適なセメント混和材の混和量（Ｙ）との関係をグラフ化したのが図１である。３点を直線近似した式は、Ｙ＝－０．２Ｘ＋３３であった。なお、混和量は５ｋｇ／ｍ3毎にデータを取っていることから、ばらつきを考慮して±２．５ｋｇ／ｍ3とした。よって、下記の式（１）がスラグ微粉末置換率によるセメント混和材の最適混和量を表すものである。
Ｙ＝（－０．２Ｘ＋３３）±２．５ （１）
Claims (3)
- 高炉スラグ微粉末置換率が５～７０％の高炉セメントと、膨張材及び硫酸アルミニウムを含有するセメント混和材とを含み、
前記セメント混和材１００質量部中、膨張材が８０～９９質量部、硫酸アルミニウムが１～２０質量部であることを特徴とする水硬性組成物。 - 前記硫酸アルミニウムは、１５０μｍの篩残分が１０～１００質量％であることを特徴とする請求項１に記載の水硬性組成物。
- 前記セメント混和材の混和量が、前記高炉セメントの高炉スラグ微粉末置換率との関係において、下記の式（１）を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の水硬性組成物。
Ｙ＝（－０．２Ｘ＋３３）±２．５ （１）
Ｙ：セメント混和材の混和量（ｋｇ／ｍ3）
Ｘ：高炉セメント中の高炉スラグ微粉末の置換率（％）
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022057952A JP2023149401A (ja) | 2022-03-31 | 2022-03-31 | 水硬性組成物 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022057952A JP2023149401A (ja) | 2022-03-31 | 2022-03-31 | 水硬性組成物 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023149401A true JP2023149401A (ja) | 2023-10-13 |
Family
ID=88288364
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022057952A Pending JP2023149401A (ja) | 2022-03-31 | 2022-03-31 | 水硬性組成物 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2023149401A (ja) |
-
2022
- 2022-03-31 JP JP2022057952A patent/JP2023149401A/ja active Pending
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